新型三相低能耗谐振直流环节逆变器

王 强，郭国先，王天施，刘晓琴

（1.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学石油化工过程控制国家级实验教学示范中心，辽宁抚顺 113001）

1 引言

由于硬开关逆变器在开关切换期间会产生电压和电流的交叉重叠现象，导致开关器件产生功率损耗，同时随着开关频率不断增高，其开关损耗和器件发热量逐渐增大.在现代电力电子技术中软开关逆变器应用越来越广泛，软开关逆变器可以实现高频化，在开关切换期间可以实现软切换，降低了开关损耗.

软开关逆变器包含谐振极逆变器［1］和谐振直流环节逆变器［2～5］，谐振直流环节逆变器具有辅助电路结构简单，辅助器件较少，硬件成本低等优点.因此，科研人员近些年已提出了多种谐振直流环节逆变器拓扑结构，但是仍需改进.在辅助电路的控制方面，文献［2～4］的辅助电路在控制辅助开关的切换时，需要实时监测流过谐振电感的电流是否达到阈值，而且该阈值随负载电流的变化而变化，导致辅助电路控制变复杂；在实现软开关的类型方面，文献［2～5］的逆变器桥臂上的主开关和直流母线上串联的辅助开关都能实现零电压软开通和零电压软关断，当三相逆变器应用在较大功率场合时，常以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为开关器件，IGBT在关断时存在的拖尾电流会导致关断损耗，所以实现零电流软关断对于以IGBT作为开关器件的逆变器更有意义，但是文献［2～5］的逆变器主开关和直流母线上的辅助开关无法实现零电流软关断.

文中提出了新型三相低能耗谐振直流环节软开关逆变器，其具有如下优点：（1）辅助电路在控制过程中，并联支路上的辅助开关开通后直接触发谐振，控制辅助开关的切换时，不需要实时监测谐振电流的变化；（2）逆变器主开关没有并联缓冲电容，主开关和串联在直流母线上的辅助开关既能完成零电压软开通，又能完成零电流软关断，真正实现了开关损耗等于零.本文详细分析了1个开关周期内的电路工作状态，最终在一台2.5 kW的三相实验样机上验证了该逆变器的有效性.

2 电路拓扑结构和工作流程

2.1 电路拓扑结构

图1给出了本文提出的谐振直流环节逆变器主电路.主电路包含直流电源，位于直流环节的辅助谐振电路以及三相逆变电路.辅助开关器件Sr1和Sr2，辅助二极管Dr1和Dr2，耦合谐振电感Lr1和Lr2以及谐振电容Cr1和Cr2组成了辅助谐振电路.当辅助电路发生谐振时，能使逆变器输入端的直流母线电压变化到零，三相逆变电路的主开关能完成零电压软开通和零电流软关断，使开关损耗降低.

图1 新型三相低能耗谐振直流环节逆变器主电路

2.2 工作流程

为了简化分析，可以假定：（1）各器件都为理想器件；（2）负载电感值可以认为足够大，逆变器输出端电流Io为恒定值，逆变器输出端负载可以看作是恒流源；（3）开关器件SIN和续流二极管DIN组成了三相逆变电路的等效电路.逆变器等效电路及物理量的参考正方向如图2所示，10个工作流程被包含在主开关的每个开关周期内.图3给出了电路的特征波形，图4给出了各工作流程等效电路图.

图2 逆变器等效电路

图3 谐振换流期间的理论工作波形

图4 各工作流程的等效电路图

（1）流程1（t～t0）：Sr1处于导通状态，直流电源Ud向负载供电，电路处于稳态.

（2）流程2（t0～t1）：在t0时刻，开通Sr2，Lr2限制了Sr2发生开通动作时电流上升速度，因此Sr2在开通时实现了零电流软开通.Sr2开通以后，Lr2和Cr2进入谐振状态，Lr2被充电，Cr2放电，流过Lr2的电流iLr2从零开始正向增大，Cr2端电压uCr2从U1开始正向减小.在t1时刻，当iLr2正向增大到与负载电流Io相等，uCr2正向减小到U2时，流过Sr1的电流变化到零，流程2结束.

（3）流程3（t1～t2）：在t1时刻，关断Sr1，因为Sr1发生关断动作时，流过Sr1的电流已经等于零，所以Sr1在关断时实现了零电流软关断.Sr1关断以后，Lr2和Cr2继续处于谐振状态，Cr2继续放电，Lr2继续被充电，uCr2从U2开始继续正向减小，iLr2从I1开始继续正向增大，电流开始流过Dr1.在t2时刻，uCr2减小到零，iLr2增大到I2时，流程3结束.

（4）流程4（t2～t3）：在t2时刻，uCr2减小到零，电流开始流过Dr2，谐振过程结束，电流开始同时流过Lr1和Lr2，iLr1从零快速增大到I2/2，iLr2从I2快速减小到I2/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，电路处于稳定运行状态.

（5）流程5（t3～t4）：在t3时刻，关断Sr2，因为Cr1和Cr2共同限制了Sr2发生关断动作时电压上升速度，所以Sr2在关断时实现了零电压软关断.同时在t3时刻，iLr1从I2/2快速增大到I2，iLr2从I2/2快速减小到零.在t3时刻开始，负载电流I0开始流过Cr1，同时Lr1和Cr2开始进入谐振状态，Cr1和Cr2被充电，Lr1放电，uCr1从零开始正向线性增大，uCr2从零开始正向非线性增大，iLr1从I2开始减小.uCr1线性增大到Ud时，直流母线电压upn线性减小到零.在t4时刻，uCr1等于Ud，uCr2增大到U3，iLr1减小到零时，谐振结束，流程5结束.

（6）流程6（t4～t5）：在该流程中，直流母线电压upn等于零，直流电源不向负载供电，负载电流Io通过等效二极管DIN续流.在该流程中，逆变器的主开关能完成零电压软开通和零电流软关断.

（7）流程7（t5～t6）：在t5时刻，开通Sr2，因为Lr2限制了Sr2发生开通动作时电流上升速度，所以Sr2在开通时实现了零电流软开通.Sr2开通以后，Lr2和Cr2进入谐振状态，Cr2放电，Lr2被充电，uCr2从U3开始逐渐减小，iLr2从零开始逐渐增大.在t6时刻，uCr2减小到U4，iLr2增大到与Io相等时，流程7结束.

（8）流程8（t6～t7）：在t6时刻，等效二极管DIN自然关断，Lr2，Cr1和Cr2进入谐振状态，Cr1和Cr2放电，Lr2被充电，uCr1从Ud开始减小，uCr2从U5开始减小，iLr2从Io开始继续增大.在t7时刻，uCr1和uCr2都减小到零，iLr2增大到I3时，流程8结束.

（9）流程9（t7～t8）：在t7时刻，开通Sr1，因为在Sr1开通前，Sr1的端电压已经等于零，所以Sr1在开通时处于零电压软开通状态.同时uCr2减小到零，电流开始流过Dr2，谐振过程结束，电流开始同时流过Lr1和Lr2，iLr1从零快速增大到I3/2，iLr2从I3快速减小到I3/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，电路处于稳定运行状态.

（10）流程10（t8～t9）：在t8时刻，关断Sr2，因为Cr2限制了开关Sr2发生关断动作时电压上升速度，所以Sr2在关断时实现了零电压软关断.同时在t8时刻，iLr1从I3/2快速增大到I3，iLr2从I3/2快速减小到零.从t8时刻开始，直流电源通过开通的Sr1向负载供电，同时Lr1和Cr2进入谐振状态，Lr1放电，Cr2被充电，iLr1从I3开始正向减小，uCr2从零开始正向增大.在t9时刻，iLr1正向减小到零，uCr2正向增大到U1时，流程10结束.

至此，电路在1个开关周期内的工作流程分析完毕，然后电路重新返回流程1，进入下1个开关周期的工作.

3 实验结果

按照图1所示主电路，完成了三相实验样机的研制，本文采用空间电压矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）方法作为控制策略.样机参数如下：额定输出功率P0=2.5 kW，直流电源电压Ud=250 V，负载电感LA=LB=LC=1 mH，负载电阻RA=RB=RC=7.5 Ω，最大负载电流为Iomax=15 A，最小负载电流Iomin=2 A，输出相电压有效值U1=80 V，辅助开关Sr2的触发脉冲占空比ρSr2为0.155，谐振电感Lr1=Lr2=7 μH，谐振电容Cr1=39 nF，Cr2=0.22 μF，开关频率fc=20 kHz.

相关的实验波形如图5所示，实验波形中的电压和电流取的正方向与图2中的标注一致.辅助开关Sr1发生切换动作时电压uSr1和电流iSr1的实验波形如图5（a）所示，由波形图得出Sr1发生开通动作时，在电流iSr1增大前，电压uSr1已经变化到零，开关Sr1开通时处于零电压软开通状态；同时可以得出Sr1发生关断动作时，在电压uSr1增大前，电流iSr1已经变化到零，开关Sr1关断时处于零电流软关断状态.辅助开关Sr2发生切换动作时电压uSr2和电流iSr2的实验波形如图5（b）所示，由波形图得出Sr2发生开通动作时，电流iSr2的变化率较低，开关Sr2开通时处于零电流软开通状态；同时可以得出Sr2发生关断动作时，电压uSr2的变化率较低，开关Sr2关断时处于零电压软关断状态.图5（c）和图5（d）分别给出了在满载和轻载时的主开关S1动作时承受的电压uS1和电流iS1的实验波形，由图5（c）和图5（d）波形图得出主开关S1发生开通动作时，电流iS1增大前，电压uS1已经变化到零，主开关S1开通时处于零电压软开通状态；由图5（c）和图5（d）同时可以得出主开关S1发生关断动作时，在电压uS1增大前，电流iS1已经变化到零，主开关S1关断时处于零电流软关断状态.

图5 实验波形

4 结论

与同类型的三相谐振直流环节逆变器相比较，本文设计的逆变器的突出优点是主开关和串接在直流母线上的辅助开关既能实现零电压软开通动作，又能实现零电流软关断动作.经实验验证得到的结论如下：逆变器主开关和辅助开关都可以完成软切换动作.当该三相逆变器应用在较大功率场合时，有利于IGBT作为逆变器的开关器件.