0 引言

    當(dāng)前電力電子裝置要求高效及高功率密度，上述要求推動(dòng)了電力電子裝置的高頻化發(fā)展。由于逆變器在傳動(dòng)以及新能源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，逆變器的高頻化越來(lái)越受到研究領(lǐng)域的重視。但逆變器的直接高頻化帶來(lái)了逆變器中高開(kāi)關(guān)損耗和強(qiáng)電磁干擾的問(wèn)題，而結(jié)合了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的軟開(kāi)關(guān)逆變器較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

    目前應(yīng)用于逆變器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中，按照拓?fù)涞妮o助緩沖電路中是否含有功率開(kāi)關(guān)管可分為有源軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)和無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)^[1]。有源軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)通過(guò)在輔助緩沖電路中增加功率開(kāi)關(guān)管的形式實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)動(dòng)作。一般采用有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的拓?fù)浯嬖谀孀兺負(fù)淇刂茝?fù)雜、系統(tǒng)成本高以及輔助功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題，不利于工業(yè)應(yīng)用^[2-3]。而無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)采用無(wú)源元件進(jìn)行能量回饋，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，而且成本相對(duì)低廉^[4-5]。但是當(dāng)前無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)湟泊嬖谥彌_電路復(fù)雜，軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中多組諧振造成的電磁噪聲大以及能量緩沖過(guò)程造成的損耗大等問(wèn)題^[6-10]，新型的無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)淙栽谶M(jìn)一步研究完善。

    文獻(xiàn)[6]、[7]中的輔助緩沖電路采用變壓器或耦合電感完成能量回饋；文獻(xiàn)[8]中采用多個(gè)無(wú)源元件進(jìn)行緩沖，導(dǎo)致拓?fù)漭^為復(fù)雜；而文獻(xiàn)[9]、[10]中的拓?fù)潆m然不使用變壓器，但是在能量緩沖過(guò)程中多組諧振造成無(wú)源元件多次開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)，系統(tǒng)損耗高。因此，本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)?，所提拓?fù)渚彌_電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拓?fù)涑杀据^低，系統(tǒng)損耗低，在中小功率逆變場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。

1 新型無(wú)源緩沖軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)?/strong>

    新型無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)三相逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其無(wú)源緩沖回路可分為三組，每相拓?fù)涞妮o助緩沖回路由2個(gè)電感、2個(gè)電容以及4個(gè)二極管組成，由于三相電路完全相同且獨(dú)立可控，取一相電路進(jìn)行研究，其單相電路如圖2(a)所示。圖2(a)中：E為直流電源，D₁和D₂為上下管換流二極管，D₃~D₆為輔助二極管，L₁、L₂為輔助諧振電感，C₁、C₂為輔助諧振電容，i_C1和i_C2為輔助諧振電容電流，i_L1和i_L2為輔助諧振電感電流，電容和電感的參考電壓及電流方向均在圖2(a)中給出。如圖所示，當(dāng)S₁、S₂開(kāi)通時(shí)，諧振電感L₁、L₂限制開(kāi)關(guān)管的電流快速增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通；當(dāng)S₁、S₂關(guān)斷時(shí)，諧振電容C₁、C₂充電以限制開(kāi)關(guān)管兩端的電壓上升率，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷。

2 軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)淠Ｊ椒治?/strong>

    所提拓?fù)湟粋€(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為7個(gè)工作模態(tài)，分別如圖2所示，本文根據(jù)回路換流模態(tài)圖進(jìn)行詳細(xì)分析如下：

    模式0 [~t₀]：t₀時(shí)刻之前，回路的初始狀態(tài)為開(kāi)關(guān)管S₁處于導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管S₂處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D₁導(dǎo)通，負(fù)載電流經(jīng)二極管D₁流向電源續(xù)流，其余所有二極管處于關(guān)斷狀態(tài)。諧振電容上的初始電壓為v_C1(t₀)=0，v_C2(t₀)=E，諧振電感上的初始電流為i_L1(t₀)=0，i_L2(t₀)=0。開(kāi)關(guān)管S₁導(dǎo)通不流過(guò)電流，電路處于電能回饋狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S₁關(guān)斷時(shí)本模態(tài)結(jié)束。

    模式1 [t₀，t₁]：t₀時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S₁關(guān)斷，負(fù)載電流繼續(xù)通過(guò)二極管D₁進(jìn)行續(xù)流，電路處于死區(qū)模態(tài)；由于二極管D₁導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S₁為零電壓零電流關(guān)斷；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S₂開(kāi)通時(shí)，本模態(tài)結(jié)束。

    模式2 [t₁，t₂]：t₁時(shí)刻，觸發(fā)開(kāi)關(guān)管S₂開(kāi)通，負(fù)載電流開(kāi)始由二極管D₁換流至開(kāi)關(guān)管S₂，由于電感L₂的存在，限制了開(kāi)關(guān)管S₂的電流上升率，開(kāi)關(guān)管S₂實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，當(dāng)諧振電感L₂的電流上升至負(fù)載電流時(shí)，本模態(tài)結(jié)束，此時(shí)諧振電感上的電流為i_L1(t₀)=0，i_L2(t₀)=i_a。

    模式3 [t₂，t₃]：t₂時(shí)刻，二極管D₁的電流線性下降至零后自然關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S₂的電流上升至負(fù)載電流，此時(shí)諧振電容C₁、C₂與諧振電感L₁、L₂進(jìn)行諧振，當(dāng)諧振電容C₂的電壓下降至零時(shí)，諧振電容C₂和諧振電感L₂諧振完畢，諧振電容C₁和諧振電感L₁繼續(xù)諧振，但由于流過(guò)諧振電感L₁、L₂的諧振電流極小且時(shí)間極短，因此可以將其忽略得到本模式等效電路，當(dāng)諧振電感L₂和諧振電容C₂諧振完成后，本模態(tài)結(jié)束。

    本模態(tài)結(jié)束時(shí)，電感L₂中電流達(dá)到恒定值，為：

    模式4 [t₃，t₄]：t₃時(shí)刻，諧振電容C₂的兩端電壓下降至零后，二極管D₂和二極管D₄導(dǎo)通并分別流過(guò)諧振電感L₂中諧振電流的一半；在回路中的電感L以及電容C取值極小的條件下，諧振能量極小， 而由于實(shí)際電路中的二極管、開(kāi)關(guān)管存在不可避免的導(dǎo)通損耗以及線路損耗，諧振電感L₁、L₂的諧振電流將在開(kāi)關(guān)管S₂穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通期間很快被衰減到零，此時(shí)諧振電感L₂和開(kāi)關(guān)管S₂僅流過(guò)負(fù)載電流i_a，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S₂關(guān)斷時(shí)，本模態(tài)結(jié)束。

    模式5 [t₄，t₅]：t₄時(shí)刻，由于諧振電感L₂的電流不能突變，因此開(kāi)關(guān)管S₂關(guān)斷后，二極管D₄導(dǎo)通流過(guò)負(fù)載電流，諧振電容C₁經(jīng)二極管D₄、D₅、D₆放電，電容C₂經(jīng)二極管D₄充電，電容C₂兩端電壓從零開(kāi)始緩慢上升，開(kāi)關(guān)管S₂實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，當(dāng)諧振電容C₂的兩端電壓上升到E，諧振電容C₁的兩端電壓下降到零時(shí)，本模態(tài)結(jié)束。

    模式6 [t₅，t₆]：t₅時(shí)刻，當(dāng)諧振電容C₁的兩端電壓下降至零后，二極管D₁開(kāi)通流過(guò)負(fù)載電流，諧振電感L₂中的殘余能量經(jīng)二極管D₄、D₆環(huán)流，由于實(shí)際電路中存在不可避免的線路損耗，諧振電感L₂中的環(huán)流在上下管的開(kāi)關(guān)死區(qū)內(nèi)很快衰減至零，此后電路再次回到工作模式0，電路開(kāi)始一個(gè)新的開(kāi)關(guān)周期。

3 軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)浞€(wěn)態(tài)特性

    表1為新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變器中不同元件的電壓與電流應(yīng)力。如表1中所示，開(kāi)關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力與傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)逆變器電壓應(yīng)力相當(dāng)，且相較于傳統(tǒng)的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變器，本拓?fù)渲性碾妷簯?yīng)力較?。涣硗膺€可以看到，當(dāng)電感和電容的參數(shù)取值極小時(shí)，電流應(yīng)力很小接近于負(fù)載電流值大小，接近硬開(kāi)關(guān)逆變器的元件電流應(yīng)力值。

    在SPWM調(diào)制策略下，開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)的電容限制了開(kāi)關(guān)管關(guān)斷以后其兩端的最大電壓變化率，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電流變化率由于電感的作用也得到抑制。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后其兩端電壓的上升率dv/dt、開(kāi)關(guān)管開(kāi)通后的電流上升率di/dt分別為：

    由式(3)和式(4)可知，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷之后其兩端的電壓變化率dv/dt和開(kāi)關(guān)管開(kāi)通后開(kāi)關(guān)管的電流上升率di/dt及續(xù)流二極管中的電流下降率均可在電路參數(shù)選擇時(shí)任意設(shè)置，同時(shí)可以看出當(dāng)電容和電感取值極小時(shí)，上式兩值可能相對(duì)較大，因此要綜合考慮取值。另外由于變化率可以通過(guò)確定電容和電感參數(shù)進(jìn)行確定，因此本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效降低主開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗以及續(xù)流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)損耗，并可使回路產(chǎn)生的EMI進(jìn)一步得到抑制。

    設(shè)定開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓上升率(dv/dt)set為1 500 V/μs，逆變輸入直流電壓E=300 V，逆變輸出負(fù)載電流最大值i_amax=30 A，開(kāi)關(guān)頻率f_S=16 kHz，逆變器上下開(kāi)關(guān)管死區(qū)時(shí)間設(shè)定為4 μs。由式(3)得2C=i_a/(dv/dt)set=20 nF，則選擇諧振電容C為10 nF。諧振電感L的大小一方面要考慮到電流變化率，另一方面要考慮到電路中寄生參數(shù)的影響。由于工程實(shí)際應(yīng)用中寄生參數(shù)難以準(zhǔn)確估計(jì)，因此經(jīng)過(guò)多次估算測(cè)試后來(lái)確定。Saber仿真時(shí)，選擇諧振電感L為1 μH，諧振電容C為10 nF，滿足要求。

4 仿真分析

    圖3為同等條件下硬開(kāi)關(guān)工作時(shí)的開(kāi)關(guān)波形圖。從圖中可以看到，硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管的電壓上升率和電流上升率很高，開(kāi)關(guān)管中產(chǎn)生的電壓尖峰和電流尖峰較高。

    圖4為本文所提拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)刻的動(dòng)作波形圖。

    從圖4中可以看到，當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)刻，其電流從零開(kāi)始緩慢上升，開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，其電壓從零開(kāi)始線性上升，開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，且電壓應(yīng)力為電源電壓，電流應(yīng)力相對(duì)較小。圖5為電容C₂與電感L₂的波形圖，從模式5以及圖4、圖5中可以看出，在開(kāi)關(guān)周期過(guò)程中，僅在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)刻產(chǎn)生一次諧振，經(jīng)過(guò)此次諧振完成能量的轉(zhuǎn)移，而波形圖5中電容C₂電壓上升部分由于二極管鉗位作用為線性上升，而電感電流的下降是由回路中的各種雜散損耗造成的。由仿真圖可看出本文所提拓?fù)溆行Ы档土讼到y(tǒng)損耗和電磁噪音。

5 結(jié)論

    本無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)合理設(shè)置諧振電容及諧振電感的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷動(dòng)作，系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗降低。本無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)涞妮o助緩沖回路在實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的能量交換過(guò)程中諧振次數(shù)少，降低了電壓電流快速變化對(duì)周圍元器件造成的不利影響，能量交換時(shí)諧振次數(shù)的減少有助于減少各元件的導(dǎo)通損耗。采用無(wú)源元件數(shù)目較少，減少了以往有源和無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變回路中電容的數(shù)量和體積，逆變裝置的體積和成本得到減少，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] He Xiangning，CHEN A，Wu Hongyang，et al.Simple passive lossless snubber for high-power multilevel inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(3)：727-735.

[2] 賀虎成，劉衛(wèi)國(guó)，解恩.一種新型無(wú)刷直流電機(jī)諧振極軟開(kāi)關(guān)逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(12)：99-106.

[3] CHU E，ZHANG X，SUN Q，et al.Three-phase double auxiliary resonant commutated pole inverter topology and analysis of its working principle[J].IET Power Electronics，2016，9(7)：1536-1545.

[4] 鄧焰，葉浩屹，何湘寧.完全的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)功率逆變器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002(1)：40-46.

[5] Yang Yuanyuan，Xu Weisheng.A simplified lossless passive soft-switching snubber for PWM half-bridge inverters[C].International Conference on Intelligent Computation Techno-logy and Automation，Changsha，China，2009：3-6.

[6] PENG F Z，Su Guijia，TOLBERT L M.A passive softswitching snubber for PWM inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(2)：363-370.

[7] ZHANG H，WANG Q，CHU E，et al.Analysis and implementation of a passive lossless soft-switching snubber for PWM inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(2)：411-426.

[8] 尹培培，洪峰，王成華，等.無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)雙降壓式全橋逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(6)：40-48.

[9] 朱修敏，魏金成，魏力，等.一種新型PWM逆變器吸收電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7)：138-141.

[10] 王強(qiáng)，楊小葛，王天施，等.開(kāi)關(guān)器件承受電壓不高于直流電源電壓的無(wú)源諧振極逆變器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37(15)：4472-4482.

作者信息:

王曉標(biāo)，邱佳雄

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819）