基于软开关技术逆变系统(编辑修改稿)

基于软开关技术逆变系统(编辑修改稿)内容摘要：

河南机电高等专科学校毕业论文 6 本章小结 本章 主要 介绍了软开关发展历程以及软开关逆变的技术基础，即 PWM 脉宽调制原理 ，同时介绍了电力电子技术的发展方向，也介绍了软开关发展的三个阶段及 软开关的 损耗。 软开关逆变整流器 7 第 3 章 软开关的分类 软开关型逆变主电路 目前常见的软开关型逆变主电路基本形式 ： ① 零电流开关（ ZCS）谐振逆变主电路； ② 零电压开关（ ZVS）谐振逆变主电路； ③ 多谐振（ MRC）逆变主电路； ④ 串联谐振逆变主电路； ⑤ 并联谐振逆变主电路； ⑥ E 类逆变主电路 ⑦ 直流母线谐振逆变主电路； ⑧ 移相控制 谐振逆变主电路； 基本的软开关逆变主电路介绍和了解 零电流开关（ ZCS）谐振逆变主电路 如图 31a 所示，零电流开关是指通过辅助的 LC 谐振元件、整型功率器件上的电流波形，使得功率器件在零电流的条件下自然关断，实现器件的自然换流。 零电流开关技术的优点在于降低了器件的关断损耗，对具有少子导电的功率器件如 IGBT、 BJT 等等，效果很好。 此外，由于谐振电路的配置关系，使得电路对分布参数的敏感性降低。 其缺点是流过有源开关的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值和电流峰值，另外，谐振电路的环流也产生 了附加的导电损耗。 在开通时，断态时存在于器件输出电容的能量，在器件内部损耗掉，影响高频工作时的效率。 大电压开通时的 di/dt 经密勒电容与门极驱动电路耦合，引起对门极电路的干扰。 零电压开关（ ZVS）谐振逆变主电路 如图 31b 所示，零电压开关是指通过辅助的谐振元件电感和电容，整型功率器件上的电压波形，使得功率器件的输出电容电压在器件开通前降为零，为元件的开通创造零电压条件，并消除器件寄生输出电容相关的开通损耗，使得开关频率大大提高。 但是 ZVS 有两个缺点，一个缺点是器件过大的电压应力，此应力与电 压范围成正比，使得很难实现负载大范围的 ZVS。 另一个缺点是由与谐振电容一起谐振的整流二极管引起，若是阻尼振荡，则在高频下一起过大的损耗，若是非阻尼振荡，则对逆变器的电压增益有一定的影响，因而可能引起闭环振荡。 河南机电高等专科学校毕业论文 8 多谐振（ MRC）逆变主电路 如图 31c 所示，多谐振逆变主电路是指在一个开关结构中综合零电压与零电流开关的特性，谐振电容既与开关器件并联，又与二极管相并联，把开关器件和二极管都形成零电压开关，其主要优点是把所有的主要的寄生参数（功率器件的输出电容，二极管的结电容和变压器的漏感等等）都并入谐振 电路内，使得电路中的器件均在零电压时导通，从而降低了开关损耗，提高了工作效率。 以上三种电路缺点是调频工作时，器件所受的电压电流应力大。 VTLCVD VTLCVD VTLCVDC a） ZCS b） ZVS c） MRC 图 31 零电流，零电压，多谐振开关电路 串联谐振逆变主电路 如图 32 所示，串联谐振逆变主电路原来是为了功率开关器件自然换流而使用的。 电感 L、电容 C、功率器件和负载串联在一起形成一个欠阻尼电路，由于电路是欠阻尼的， 引起震荡，这样流过功率开关的电压出现自然过零现象。 所以，串联谐振逆变电路比较合适于恒定负载的电路，在串联谐振逆变电路中，开关器件本身可以是反向二极管，既双向开关；也可以是单向开关。 图 32a、 b 分别为半桥串联谐振逆变电路和全桥串联逆变电路。 V T 1V T 2LVD1VD2C1CRC2V T 4V T 2LVD4VD2CRVD1VD3V T 1V T 3 a）半桥串联谐振逆变电路 b）全桥串联谐振逆变电路 图 32 串联谐振逆变电路 软开关逆变整流器 9 并联谐振逆变主电路 在串联谐振逆变主电路中，电感 L、电容 C、功率开关、负载是串联在一起的。 而在并联谐振电路中，负载是与电 容 C 并联在一起的。 电路也是欠阻尼的，使得流过开关器件的电流自然过零实现零电流开关。 在晶闸管中频炉常常采用这种方法实现晶闸管的自然换流， 如 图 33a、 b 分别以半桥并联的谐振电路和全桥并联的谐振逆变电路。 可以看出，无论是串联谐振逆变电路还是并联谐振逆变电路，其输出功率的调节是依靠调节频率来进行的。 由于电路中的电流或电压是正弦的，电路中功率器件受到很大的应力，与电路的 Q 值成正比。 V T 1V T 2LVD1VD2C1CRC2V T 4V T 2LVD4VD2CRVD1VD3V T 1V T 3 a）半桥并联的谐振电路 b）全桥并联的谐振电路 图 33 并联谐振逆 变主电路 E 类逆变主电路 E 类逆变主电路是与 E 类放大电路改进并由串联谐振逆变改型而成。 其电路如图 34 所示， E 类逆变主电路的优点是消除开关损耗，减少电磁干扰。 主要缺点是有较大的峰值电流流过开关，开关器件承受较大的电压应力。 L LrRCrCUsV T 1 图 34 E 类逆变主电路 河南机电高等专科学校毕业论文 10 直流母线谐振逆变主电路 1986 年，美国威斯康星大学的 教授提出“谐振直流环逆变器（谐振环）的概念”，对于软开关技术应用逆变器起了很大的推动作用。 在直流输出端和逆变器之间接入一个 LC 振荡电路，这样具有恒定直流电压的母线 变成一个高频直流脉动或高频交流母线，从而在母线上出现电压过零现象，挂在这样母线上的逆变器又派生出很多新的拓扑结构。 谐振直流环逆变器基本电路如图 35 所示，利用谐振元件 Lr和 Cr及谐振控制开关 VT1 在逆变器的输入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换为一系列高频脉冲电压供给逆变器，其优点是整流、谐振、逆变三种功能组合电路，功率器件实现零电压开关条件与负载无关，易于控制。 a）逆变器电路 0U c rtb） b）波形图 图 35 谐振直流环逆变器电路和波形 谐振直流环逆变器的主要缺点是： 1 直流环节振荡电压 幅值较大，一般为两倍以上的电源电压。 2 为了使 L、 C 振荡电路每次过零点，需设置附加电路补充振荡电路的能量损耗，以提供足够的能量使振幅值过零点。 3 由于只能在 U=0 时，才能切换开关状态。 谐振直流环逆变器只能采用离散脉冲调制的方法来控制。 相移控制的全桥逆变主电路 相移控制全桥软开关的逆变主电路是在 PWM 全桥逆变主电路基础上发展起软开关逆变整流器 11 来的。 由于其开关频率恒定，在大范围内实现 PWM 控制，而在功率开关器件换流瞬间实现软开关换流，减少了开关损耗，降低硬开关造成的干扰，提高了系统的可靠性，相移控制全桥开关 逆变电路综合了 PWM 控制技术的优点和软开关的优点，所以其一出现，便受到了人们的青睐。 相移控制的全桥逆变主电路，是利用主电路功率器件本身 的二极管导通时，开通功率器件，实现零电压开通的，主电路根据控制信号的不同，分为超前桥臂和滞后桥臂，两者工作情况不同。 相移控制的全桥逆变电路主电路和驱动信号时序如图 36 所示，其详细情况下面将会介绍。 根据导通的次序， VT VT3 称为超前桥臂， VT VT4 称为滞后桥臂。 以上各种各样的软开关逆变主电路的应用，能够使得功率器件的开关轨迹大为改变，拓宽功率器件的安全工作区，降低了 开关耗损和过大的 du/dt 和 di/dt 现象，减少干扰，克服了常规硬开关型逆变电路的缺点，但同时也带来新的问题，主要有以下方面： ① 由于大多数软开关电路是依靠 L、 C 振荡使得电路产生零电压或零电流开关条件的， L、 C 振荡所产生的正弦波具有较高的电压或电流的有效值，通常会使导电耗损有所增加，功率器件所受的电压与电流的应力都要不相应的硬开关 PWM逆变功率器件承受的压力大，并且该应力随电路的 Q 值和负载变化而变化。 ② 大多数软开关电路均是依靠改变开关频率来改变逆变器的输出，开关频率大范围变化使得滤波器、变压器设计难以优化，干 扰难以抑制。 ③ 由于用调频来调节输出，负载变化大时，相应的电压和电流调节范围比相应的 PWM 逆变电路窄，超前一定范围后 ,逆变电路不能达到零电压或零电流开关条件，不能达到满载（短路）或空载，由于存在以上种种问题。 迄今为止，应用较好的例子基本不变或变化不大的各种电路。 V T 4V T 2LVD4VD2RVD1VD3V T 1V T 3V T 1 V T 3 V T 1V T 2 V T 4 V T 2 a）相移控制主电路 b）驱动信号时序图 图 36 相移控制主电路和驱动信号时序图 河南机电高等专科学校毕业论文 12 本章小结 本章详细 介绍了软开关 型逆变主电路的主要 分类，针对硬开关型弧焊逆变器研究存在的开关损耗、频率进 一步提高困难等问题，介绍研究了开关损耗小，频率更高的软开关弧焊器，并着重讨论了相移控制串联谐振式零电压零电流软开关全桥弧焊逆变器的原理、特点等。 软开关逆变整流器 13 第 4 章 零电压零电流 PWM 移相控制 软开关型全桥逆变电路的拓扑结构 目前，由于历史的原因，弧焊逆变器大多数采用单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路。 一个合理的构造软开关型弧焊逆变器的思路，就是在这三种电路的基础上构造出来的。 合理的软开关型逆变电路的研究方向，应该是综合 PWM 控制技术逆变电路及软开关技术的优点。 理想的软开关逆变器应该是实现了开关频率恒定，而在功率器件换流阶段，实现功率器件的软开关换流（零电压或电流开通和关断）。 开关频率恒定，以利于与频率有关的器件，如变压器、电感、电容的优化设计，并且可以避免以调频方式调节输出功率时，主电路功率器件所受的过大的开关应力，而软开关技术的使用则避免硬开关电路的缺点。 单端软开关型逆变主电路 对采用单端正激或单端反激为主电路的逆变器来说，可以采用零电压（ ZVS）或零电流（ ZCS）技术来实现软开关逆变技术，但采用辅助的电感和电容来达到零电压或零电流的开关条件会增加 电路的复杂性。 电路的逆变调节使得电压或电流的应力较大。 软开关型全桥逆变主电路 为了使输出功率能够够大，逆变器主电路结喉往往采用全桥逆变电路。 目前适合采用软开关技术的全桥逆变电路有： ① 全桥串联谐振逆变电路； ②全桥并联谐振逆变电路：③高频直流谐振环逆变电路；④移相控制全桥逆变控制电路。 全桥逆变电路的主电路如图 41 所示，实现软开关即是实现功率器件 VTVT VT VT4 的零电压开关或零电流开关，有根据负载方式实现零电压或零电流开关的，这就是全桥谐振逆变电路，全桥并联谐振逆变电路以及它们的组合 电路，也有根据控制方式实现功率器件的软开关逆变技术的，移相控制全桥逆变控制电路就属于这种方式。 （ 1）全桥串联、并联谐振逆变主电路 对全桥串联逆变主电路而言，既可以实现零电压开关，又可以实现零电流开关，具体的情况要根据开关频率和负责的情况来决定，其基本原理如下：假设在一定的频率下，保证负载是感性，感性负责电压超前电流。 在逆变过程中，换流是在桥臂之间进行，关断 VT VT2 时，电流转移到 VD VD4（如全桥逆变 PWM主电路），详细通断和换流过程将在下面结合移相电路一起介绍。 VT VT2， VTVT4 均可以实现零电压开通，如果负载是容性负载，则由于容性负载电流超前电河南机电高等专科学校毕业论文 14 压，换流是在桥臂内部完成，既是电流从 VT VT2 转移到 VD VD2，所以 VTVT VT VT4 均可实现零电流关断，这也是中频晶闸管加热炉常常采用容性负责方法使晶闸管自然关断方法，以上是采用负载谐振来实现功率器件软开关的方法，输出功率调节主要依靠调节频率来调节，需要有的范围线性度好的压控谐振器（ VCO），电路汇总器件所受的应力与电路的 Q 值成正比例。 VT 4VT 2LVD4VD2C2RVD1VD3VT 1VT 3C1C3C4L2C5D1 1D1 3D1 2D1 4AB 图 41 全桥 PWM逆变主电路 （ 2）半桥串并谐振逆变电路 等提出了一个关于半桥零电压软开关逆变器，原理是利用开关频率比电路谐振频率高，负载呈感性，如图 42a 所示，关断 VT2 后，由于是感性负载，电流从 VT2 转移到 VD1，所以。