改进型箝位谐振直流环节逆变器的实现机理分析

王强 胡斐 王天施 刘晓琴

摘 要：为使箝位二极管承受的电压值不超过直流母线电压，提出了一种改进型箝位谐振直流环节逆变器，逆变器的辅助谐振电路中只有一个辅助开关器件，箝位电路中无需设置箝位开关，而且逆变器的直流母线电压被箝位在输入直流电压的1.1～1.3倍，有效地降低了电压应力。根据各工作阶段下的等效电路，分析了电路的工作过程，软开关实现条件和实验参数的设计，实验结果表明主开关器件在轻载和满载时都可以实现零电压软切换，辅助开关可以实现零电流软切换。因此，该拓扑结构能够有效地降低开关损耗。

关键词：逆变器；谐振；箝位；零电压开关；零电流开关

中图分类号：TM 464

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）05-0070-08

Abstract： A novel clamped resonant DClink inverter was proposed to make the voltage across the clamped diode be no more than the voltage of DCbus. There was only one auxiliary switch in auxiliary resonant circuit， and it was unnecessary to set clamped switch. Besides， the DClink voltage can be clamped at 1.1～1.3 times of input DCvoltage， which reduced the voltage pressure effectively. According to equivalent circuits under different stages， the working process of the inverter was analyzed， realization condition of the soft switching and experimental parameters were designed. The experimental results demonstrate that main switching devices achieved zerovoltage soft switching at light and full load， and auxiliary switching devices achieve zerocurrent soft switching. Therefore， the proposed topology can reduce switching loss effectively.

Keywords：inverter； resonant； clamp； zerovoltage switching； zerocurrent switching

0 引 言

近些年，各种高性能的谐振直流环节逆变器已被科研人员提出，包括无源箝位谐振直流环节逆变器[1]、有源箝位谐振直流环节逆变器[2-10]。例如文献[1]提出的拓扑结构采用耦合电感辅助换流，导致了箝位二极管两端承受的反向电压是直流环节电压的数倍，过大的电压应力会使器件受到不可逆转的损害；文献[2-4]提出的拓扑结构需要设置额外的箝位开关，增加了电路控制的复杂性；文献[5]提出的逆变器拓扑结构中用于形成电源中点的两个大电容会造成逆变器中性点电位的变化，对软开关的实现产生不利影响；文献[6-8]提出的拓扑结构中，为减小直流环节在高频谐振下产生的较大损耗，对母线谐振电压采用了相对复杂的双幅控制策略；文献[9-10]提出的拓扑结构需设定几个与辅助开关控制有关的阈值，这样就给电路在全负载范围内实现软开关带来了困难。

为改进以上缺点，本文设计出一种改进型箝位谐振直流环节逆变器的拓扑结构，文中分析了辅助谐振电路的各工作阶段和软开关实现条件，设计了电路实验参数，最后用实验来验证该拓扑结构的有效性。

1 電路结构及动作原理

1.1 电路结构

图1表示该逆变器的主电路。辅助谐振电路包括电感L1、L2、L3，辅助开关Sa及其反并联二极管Da和与电感L3串联的二极管Dc。箝位电路包括电容C1和箝位二极管Db，电容C1是一个大容量的滤波电容，在此电路中相当于一个低压直流电源，在该箝位电路的作用下可将电容C两端电压uc箝位在KUS（KUS=US+UC1，K为箝位因数）。箝位二极管Db两端承受的反向电压为UL1+UC1，而UL1小于US，所以UL1+UC1小于KUS，即箝位二极管承受的最大电压不会超过直流母线电压的最大值。为使对该新型逆变器的分析简单化，可假设：1）器件均在理想条件下运行；2）负载电感值远大于谐振电感值，所以可将逆变器换流期间的负载电流假设为一个恒定值I0；3）C、Sinv和Dinv并联组成逆变器等效电路，且C=3Cs。图2所示的电路为该逆变器的主电路图1的等效电路，图2同时展现了各部分的电压和电流的正方向。

1.2 工作过程分析

该逆变器电路工作过程分为8个阶段，图3表示电路的特征波形，图4表示各个阶段工作状态。C、L1、L2和L3为电路的4个换能元件，uc、i1、i2和i3为整个系统状态变量，用电容C电压状态变量uc和电感电流状态变量i1、i2、i3组成3个相平面来分析此电路[11-14]。

4 结 论

相比于其它文献提出的同类型逆变器，本文设计的改进型箝位谐振直流环节逆变器的显著优点是该逆变器箝位电路中的箝位二极管所承受的最大电压值不会超过直流环节电压的最大值，降低了开关器件电压应力，而且在其辅助电路中仅仅只含有一个辅助开关器件，无需设置箝位开关，控制相对简单。此外，该逆变器不需要设定与电感电流有关的阈值，可使逆变器主开关在全负荷范围内实现软开关。

参 考 文 献：

[1] CHEN Shaotang， Thomas A Lipo. A novel softswitched PWM inverter for AC motor drives[J]. IEEE Trans. on Power Electronics，1996，17（4）：653.

[2] 张德华， 汪范彬， 刘腾， 等. 一种新型的串联有源箝位谐振直流环节逆变器双幅控制策略[J]. 中国电机工程学报， 2002， 22（7）： 7.

ZHANG Dehua， WANG Fanbin， LIU Teng， et al. A novel twoamplituded control strategy for series actively clamped resonant DClink inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2002， 22（7）： 7.

[3] 孙德华， 应建平， 刘腾， 等. 一种新型有源箝位谐振直流环节逆变器控制策略[J]. 电工技术学报， 2002， 17（2）： 44.

SUN Dehua，YING Jianping，LIU Teng，et al.A novel control strategy for the active clamped resonant DC link inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2002，17（2）：44.

[4] 李睿， 马智远， 徐德鸿. 一种新型有源箝位软开关三相并网逆变器[J]. 中国电机工程学报， 2011， 31（30）： 30.

LI Rui， MA Zhiyuan， XU Dehong. A novel active clamping soft switching gridconnected threephase inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2011， 31（30）： 30.

[5] 张峰， 李睿， 凌志斌， 等.一种有源箝位ZVS半桥逆变器[J].电力电子技术， 2013， 47（4）： 19.

ZHANG Feng， LI Rui， LING Zhibin， et al. An active clamping ZVS halfbridge inverter[J].Power Electronics，2013，47（4）：19.

[6] 陈沁野， 张德华， 侯尧杰. 双幅有源箝位谐振直流环节逆变器箝位电压平衡控制策略[J]. 机电工程， 2012， 29（6）： 696.

CHEN Qinye， ZHANG Dehua， HOU Yaojie. Balance control strategy of twoamplitude actively clamped resonant DClink inverter clamping voltage[J]. Journal of mechanical & Electrical engineering， 2012， 29（6）： 696.

[7] 祁晓蕾， 阮新波.一种新的双幅控制有源箝位谐振直流环节逆变器[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28（27）： 42.

QI Xiaolei， RUAN Xinbo. A novel twoamplitude active clamped resonant DC link inverter[J].Proceedings of the CSEE，2008，28（27）：42.

[8] 张德华， 应建平， 刘腾， 等. 双幅有源箝位谐振直流环节逆变器的分析和设计[J].中国电机工程学报， 2002， 22（9）： 48.

ZHANG Dehua， YING Jianping， LIU Teng， et a1.A nalysis and design of twoamplitude active clamped resonant DClink inverter[J].Proceedings of the CSEE， 2002， 22（9）： 48.

[9] 杨迎化， 谢顺依， 钟祺， 等. 一种新型直流环节并联谐振软开关逆变器[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28（12）： 50.

YANG Yinghua， XIE Shunyi， ZHONG Qi， et al. A novel DC link parallel resonant soft switching inverter[J].Proceedings of the CSEE， 2008， 28（12）： 50.

[10] 王军， 徐龙祥.软开关技术在磁悬浮轴承功率放大器中的应用[J]. 电工技术学报， 2009， 24（6）： 85.

WANG Jun， XU Longxiang.Application of power amplifier for active magnetic bearing using soft switching technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society， 2009， 24（6）： 85.

[11] 王強， 单瑞香， 王天施， 等.单相全桥谐振直流环节软开关逆变器[J].电机与控制学报， 2017，21（3）： 38.

WANG Qiang， SHAN Ruixiang， WANG Tianshi， et al. Singlephase fullbridge resonant DClink softswitching inverter[J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（3）： 38.

[12] 王强， 唐朝垠， 王天施， 等. 结构简单的谐振极型零电流软开关逆变器[J].电机与控制学报， 2016， 20（7）： 102.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al. Resonant pole zero current softswitcing inverter with simple structure[J]. Electric Machines and Control， 2016， 20（7）： 102.

[13] 王强， 唐朝垠， 王天施， 等.用于无刷直流电机驱动的谐振极软开关逆变器[J].电机与控制学报， 2017， 21（6）： 59.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al.A resonant pole softswitching inverter for brushless DC motor drives[J].Electric Machines and Control， 2017， 21（6）： 59.

[14] 王强， 唐朝垠， 王天施， 等.辅助电路无储能电容的谐振直流环节软开关逆变器[J].电机与控制学报， 2017，21（8）： 78.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al.Resonant DC link softswitching inverter without storage capacitor in auxiliary circuit[J].Electric Machines and Control，2017，21（8）：78.

（编辑：张 楠）