控制简单的节能型单相全桥逆变器

王强，王有政，王天施，刘晓琴

1 引言

目前，现代电力电子变流技术正朝着高性能、高频化、大容量的方向发展. 逆变器高频化可以大大减少逆变器中磁性元件体积和重量. 但是，随着开关器件的开关频率不断提高，开关损耗和电磁干扰噪音会显著增大，逆变器的转换效率会因为开关损耗的增大而降低.软开关谐振变流技术通过添加必要的辅助谐振单元而使开关元件取得零电压或者零电流软切换，进而降低开关损耗，减小电磁干扰、抑制谐波污染，提高逆变效率，使逆变装置具有更优的性能指标［1］.

辅助谐振电路接在逆变器桥臂中点和直流母线之间的是谐振极逆变器，研究人员已经设计了多种单相全桥谐振极逆变器拓扑结构［2，5］，但是仍存在不足之处. 例如文献［3］中的辅助电路含有4 个辅助开关，辅助开关的数量较多会导致辅助电路硬件成本较高且控制复杂，影响逆变器的可靠性和实用性；文献［4，5］中的辅助电路进入谐振状态之前，需要使流过谐振电感的电流达到设定值，使控制复杂化.

本文提出了一种新型单相全桥软开关逆变器，相比于相关文献提出的同类型逆变器，具有以下优势：（1）逆变器采用简单的受限单极式正弦脉宽调制方法，在每个开关周期内，仅需改变1 个主开关和1 个辅助开关的触发脉冲，无需通过配置电感电流阈值来控制辅助开关，实现了逆变器控制简单化；（2）辅助电路结构简单，仅含有1 个辅助开关和少量无源器件，无大体积的变压器和分压电容，有利于降低辅助电路硬件成本和改善逆变器的可靠性. 文中分析了电路在一个开关周期内的工作流程，在额定功率为2 kW 的实验样机上验证了该单相全桥软开关逆变器的性能.

2 电路工作过程分析

2.1 电路结构

图1 给出了一种控制简单的节能型单相全桥逆变器电路拓扑，由直流电源Ud，辅助谐振电路和单相全桥逆变电路组成，其中辅助谐振电路由2 个谐振电感Lr、Ls，3 个谐振电容Cr、Cs1和Cs2，1 个辅助开关Sa及其反并联二极管DSa和辅助二极管Ds0~Ds5组成. 全桥逆变电路是由主开关S1~S4及其反并联二极管D1~D4、负载电感L和负载电感R组成.

图1 控制简单的节能型单相全桥逆变器主电路

2.2 工作流程

在分析电路工作过程时，作出以下假设：（1）所有元件都看作理想元件；（2）阻感性负载中的电感值远大于辅助电路中的电感值，负载电流在一个开关周期中保持不变，即可将该阻感性负载看成是电流大小恒为Io的恒流源. 各部分电压和电流的正方向已在图1 中标出.12个流程被包含在电路每个开关周期的工作过程，图2 给出了电路的特征工作波形，图3 为各工作流程的等效电路图.

（1）流程1（t~t0）：电流流过主开关S1和S3，此时电容Cs1的两端电压uCs1为零，电容Cr的两端电压uCr为Ud，流过电感Ls的电流iLs等于负载电流Io，电路处于稳定状态.

图2 谐振换流期间的理论工作波形

（2）流程2（t0~t1）：在t0时刻，关断主开关S1，在电容Cs1的作用下，使主开关S1在关断时刻的端电压从零开始以较小的变化率缓慢增加，所以主开关S1在关断时处于零电压软关断状态. 从t0时刻开始，流过Cs1的电流等于Io，uCs1从零开始正向线性增大. 在t1时刻，uCs1正向线性增大到Ud时，流程2结束.

（3）流程3（t1~t2）：在t1时刻，Ls，Cr和Cs1进入谐振状态，Ls处于正向放电状态，Cr和Cs1处于被正向充电的状态，iLs从Io开始正向减小，流过二极管D4的电流开始增大，uCr和uCs1从Ud开始正向增大，在变化过程中，uCr等于uCs1. 在t2时刻，iLs开始正向减小到零，流过D4的电流等于Io，uCr和uCs1增大 到Up1，uSa增加 到U1时，流程3结束.

图3 各工作流程的等效电路图

（4）流程4（t2~t3）：在t2时刻，开通辅助开关Sa，Lr限制了Sa发生开通动作时的电流上升速度，因此Sa在开通时处于零电流软开通状态. 从t2时刻开始，Lr、Cr和Cs1进入谐振状态，Lr处于被正向充电状态，Cr和Cs1处于反向放电的状态，iLr从零开始正向增大，uCr和uCs1从Up1开始正向减小. 在t3时刻，uCr和uCs1正向减小到Ud，iLr正向增大到Ip1时，流程4结束.

（5）流程5（t3~t4）：在t3时刻，Lr，Cr和Cs1谐振结束，电流开始流过Ds0，iLr开始在Ds0，Sa和Lr组成的闭合回路内续流，Io通过主开关S3和D4实现续流. 在t4时刻，关断Sa，流程5结束.

（6）流程6（t4~t5）：从t4时刻开始，Lr承受电压等于Ud，Lr处于正向放电状态，iLr从Ip1开始正向线性减小，储存在Lr中的电能开始回馈给直流电源. 在t5时刻，iLr正向减小到零时，流程6结束.

（7）流程7（t5~t6）：从t5时刻开始，Io继续通过S3和D4实现续流，辅助电路不工作，电路处于稳态.

（8）流程8（t6~t7）：在t6时刻，开通主开关S1，Ls限制了主开关S1发生开通动作时的电流上升速度，因此主开关S1在开通时处于零电流软开通状态. 从t6时刻开始，Ls承受电压等于Ud，Ls处于被正向充电状态，iLs从零开始正向线性增大，同时流过D4的电流开始线性减小.在t7时刻，iLs正向线性增大到Io，流过D4的电流等于零时，流程8结束.

（9）流程9（t7~t8）：在t7时刻，Ls，Cr和Cs1进入谐振状态，Ls处于被正向充电状态，Cs1处于反向放电状态，Cr处于被正向充电状态，iLs从Io开始继续正向增大，uCs1从Ud开始正向减小，uCr从Ud开始正向增大. 当uCs1+Ud=uCr时，iLs正向增大到最大值Ip2. 然后Ls开始处于正向放电状态，Cs1继续处于反向放电状态，Cr继续处于被正向充电状态，iLs从Ip2开始正向减小，uCs1继续正向减小，uCr继续正向增大. 在t8时刻，iLs正向减小到Io，uCr正向增大到Up2，uCs1正向减小到Up3，uSa增加到U2时，流程9结束.

（10）流程10（t8~t9）：在t8时刻，开通辅助开关Sa，Lr限制了Sa发生开通动作时的电流上升速度，因此Sa在开通时处于零电流软开通状态. 从t8时刻开始，Lr和Cr进入谐振状态，Lr处于被正向充电状态，Cr处于反向放电状态，iLr从零开始正向增大，uCr从Up2开始正向减小.在t9时刻，uCr正向减小到Ud，iLr正向增大到Ip3时，流程10结束.

（11）流程11（t9~t10）：在t9时刻，Lr和Cr谐振结束，电流开始流过Ds0，iLr开始在Ds0，辅助开关Sa和Lr组成的闭合回路内续流，Io流过主开关S1和S3. 在t10时刻，关断辅助开关Sa，流程11结束.

（12）流程12（t10~t11）：从t10时刻开始，Lr承受电压等于Ud，Lr处于正向放电状态，iLr从Ip3开始正向线性减小，储存在Lr中的电能开始回馈给直流电源. 在t11时刻，iLr正向减小到零时，流程12结束.

然后电路将返回流程1，进入下1个开关周期.

3 实验结果

样机参数如下：额定输出功率P0=2 kW，负载电阻R=10 Ω，负载电感L=1 mH，直流电源电压Ud=300 V，最大负载电流Iomax=20 A，主开关的开关频率fc=20 kHz，输出频率f0=50 Hz，谐振电感Ls=6 μH，Lr=31 μH，谐振电容Cs1=Cs2=Cr=0.1 μH.

图4（a）给出了样机输出的电流实验波形，输出频率为50 Hz，可以看出输出的电流波形比较光滑，并没有因为增加辅助电路而使逆变器输出波形产生畸变.图4（b）和图4（c）分别给出了在满载和轻载时，逆变器上桥臂主开关S1进行切换动作时的端电压uS1和流过的电流iS1的实验波形. 从图4（b）和图4（c）可以看出，在开关开通时刻，流过主开关S1的电流上升的速度被抑制，所以轻载和满载时都实现了主开关S1的零电流软开通；从图4（b）和图4（c）还可以看出在主开关S1关断时刻，其两端电压从零开始以较小的变化率缓慢增加，所以轻载和满载时都实现了主开关S1的零电压软关断.图4（d）给出了辅助开关Sa进行切换动作时的端电压uSa和电流iSa的实验波形. 从图4（d）可以看出Sa开通时，iSa以较低变化率正向缓慢增大，实现了Sa零电流软开通，但是从图4（d）也可看出Sa关断时uSa的上升速度没有被限制，Sa没有实现软关断，这需要在以后的研究工作中对其辅助电路进一步优化，以实现辅助开关开通和关断都是软切换.

图4 实验波形

4 结论

设计出了一种控制简单的单相全桥谐振极软开关逆变器，显著特点是辅助电路只有1 个辅助开关，而且逆变器采用受限单极式正弦脉宽调制方法，使辅助电路控制简单化. 经实验验证得到的结论如下：（1）逆变器主开关在切换过程中能完成零电流软开通和零电压软关断；（2）逆变器输出电流波形为光滑正弦波，增设的辅助电路对逆变器的输出无影响.