谐振软开关技术及其在逆变电源中的应用

1、谐振软开关技术及其在逆变电源中的应用    摘要：为了获得更高的性能指标、更高的效率、更高的功率密度，软开关技术已经在DC/AC逆变器中得到了广泛的应用。然而，在这一领域中所做的大量工作并没有得到广泛的认识，撰写本文的目的在于尝试着对软开关技术的DC/AC电路进行一个简单的分类，并对其工作原理、性能、设计上的局限性及其优缺点进行扼要的分析。也重点讨论了谐振软开关技术在逆变电源中的应用。关键词：零电压开关零电流开关谐振软开关The Application of Resonant Soft switching Techniques in Invert Pow

2、er Supply Abstract: In order to achieve better performance,higher effciency,higher power density,soft switching techniques have recently been applied in the design of DC/AC inverter.However,the amount of work that has been done in this field is not widely known,this paper is an attempt to classify t

3、he soft switched DC/AC circuits in a simple and generic way,and operating principles,performance,and design limitations are discussed.Some possible industrial applications of soft switched inverter are addressed. Keywords:Zero voltage switching,Zero current switching,Resonant soft switching 1引言近十几年来

4、，由于电路简单和控制方便，脉宽调制(PWM)技术已经成为功率电子技术中DC/AC逆变器的一个重要的选择。PWMDC/AC变换器在不间断电源(UPS)、电机驱动、感应加热等领域得到了广泛的应用。然而，由于开关损耗和半导体器件额定电流的限制，使得逆变器中的开关频率只工作在大约几个千赫兹，逆变器的功率也只有几个千瓦。众所周知，随着开关频率的提高，逆变器的功率密度和性能将会得到很大的改善。当然，开关频率的提高要受到以下因素的影响：在功率开关开通和关断过渡期间的开关应力(很高的电压和电流峰值)，将会导致器件的安全工作区(SOA)加大；开关损耗；严重的di/dt和dv/dt将会产生电磁干扰(EMI)。与P

5、WM硬开关电路相反，在谐振软开关电路中，开关器件在零电压或零电流条件下切换，理论上开关损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型开关器件的条件下，谐振软开关电路可以很轻松地在高出一个或几个数量级的开关频率下工作。高的开关频率使谐振软开关电路具有许多明显的优点，如低噪音，低电磁干扰(EMI)，输出波形的谐波成分少；另外，由于开关器件在零电压或零电流条件下动作，开关器件的动态过程大为改观，这使得缓冲电路成为多余，散热器尺寸明显减小，从而使设备尺寸及重量也随之大量减小，开关器件可在高可靠性和高效率条件下工作。总而言之，人们过去在硬开关PWM电路设计中追求的许多目标，在软开关条件下都很容易实现。

6、由于谐振软开关逆变电路与常规硬开关逆变电路比较具有明显的优点，因此，近十年来，国内外的许多研究人员每年都有大量的关于这个领域研究的论文发表，目前已提出多种不同拓扑结构的谐振软开关逆变电路。2软开关逆变器拓扑结构分类图1软开关技术逆变器分类总的来说，逆变器根据其开关特性可分为硬开关技术与软开关技术，所谓硬开关技术是指在开关切换瞬间，开关两端有电压或电流，所以不可避免的会产生开关损耗和EMI问题。同时，由于寄生电容和漏感的存在，在开关切换瞬间还会出现很高的电压/电流峰值。而软开关技术则是让开关在两端电压或电流为零或极小的瞬间切换，从而避免了开关损耗和EMI问题。产生这个零电压或零电流瞬间的方法则是

7、在硬开关技术拓扑结构的基础上增加由电感L、电容C或其它诸如二极管或辅助开关等元器件组成的谐振网络，使主开关两端的电压或电流始终在零点附近振荡或穿过零点，从而给开关的零电压/零电流切换（即软开关技术）提供了可能的条件。谐振环节位置和结构的变化，开关波形的特性不同及谐振的形式(如并联或串联)，也使得软开关技术DC/AC逆变器电路拓扑变得多种多样。图1给出了软开关技术逆变器的一个分类图。负载谐振(LoadResonance)把LC谐振网络以串联或并联的方式加在负载侧，为逆变桥主功率开关器件创造一个ZVS或ZCS条件。而DC总线侧的电压或电流波形保持不变。谐振过渡(Resonanttransition

8、)把LC谐振网络加在逆变桥上，开关上的寄生电容也成为谐振模式的一部分，为主功率开关器件创造一个ZVS或ZCS条件。而输入端DC总线波形保持不变。谐振环节(ResonantLink)把谐振网络加在输入DC源和逆变桥之间，这样输入总线上的电压就成为一个脉冲序列，为功率开关器件创造软开关技术条件，所以，它和传统意义上的PWM系统，有着较大的区别。3软开关逆变器拓扑结构的分类31负载谐振逆变器谐振网络和负载相连，在整个开关周期内(Ts=1/fs)以频率fr进行振荡，这种负载上振荡的电压和电流就可以为逆变桥中的主功率器件创造ZVS或ZCS条件，逆变桥可以是半桥或全桥结构。一般情况下，分为两类：第一串联谐

9、振拓扑结构：谐振网络和逆变桥串联，逆变桥给谐振网络提供一个方波电压。负载和谐振网络之间的连接是多种多样的，串联/并联/混合谐振结构(如串/并、并/串和多谐振)。第二并联谐振拓扑结构：谐振网络和逆变桥并联，逆变桥给谐振网络提供一个方波电流，同样，负载和谐振网络之间也可以是串联或并联。下面列出负载谐振转换器的两个实例和一些基本特点：(1)串联谐振/并联负载逆变器(SRPLI)图2示出了一个半桥的SPRLI电路。这种电路的特点是：当fr ， 输 出 阻 抗 为 容 性 ， 主 开 关 和 二 极 管 在 ZCS条 件 下 开 通 或 关 断 。 有 源 开 关 的 开 通 取 决 于 电 路 的 控

10、 制 信 号 ， 而 它 的 关 断 则 依 靠 功 率 电 路 的 自 然 换 流 。 由 于 负 载 和 谐 振 电 容 并 联 ， 可 以 明 显 缩 小 输 出 电 压 的 畸 变 。 在 实 际 应 用 中 ， 为 了 限 制 功 率 开 关 中 的 短 暂 冲 击 电 流 ， 应 该 给 每 个 功 率 开 关 串 联 一 个 电 感 。 这 种 电 路 广 泛 地 应 用 于 感 应 加 热 、 航 空 电 源 等 大 功 率 (20kHZ/10kVA左 右 )场 合 。 当fr>fs时，SRPLI工作在ZVS条件下，为了避免开关的关断损耗，功率开关应该并联一个吸收电容。这

11、种情况下，如果构成全桥电路，其输出可采用移相调制的方法来控制。该结构还有一些特征，即相对于开关周期来说，谐振只发生在一个很短的瞬间，而图2SRPLI电路图3PRSLI电路且开关上的寄生电容和隔离变压器上的漏感抗在逆变侧成为谐振网络的一部分。由于这种电路的这些特点，它已广泛应用于高频电源的设计中。SRPLI电路的优点是：输出正弦波畸变较小，功率大效率高。SRPLI电路的缺点是：变频控制方法受到限制，且有一定的输出畸变。另外由于制造的原因或参数的瞬态变化使得开关频率漂移，从而不便调整输出电压。(2)并联谐振/串联负载逆变器(PRSLI)图3示出了一个典型的PRSLI结构，该电路实际上是图2电路的一

12、个对称电路，用了一个隔离变压器来代替输出电感，谐振电感Lr与负载串联并向其提供调制电流。当fr ， 输 出 阻 抗 为 感 性 ， 这 样 ， 开 关 的 开 通 时 间 取 决 于 电 路 的 自 然 特 性 ， 而 开 关 的 关 断 由 控 制 信 号 决 定 。 例 如 ， 只 有 当 开 关 S1两 端 的 电 压 回 到 零 时 ， 它 才 能 开 通 。 然 而 ， 开 关 S1可 以 在 任 何 时 间 被 控 制 信 号 关 断 ， 并 且 由 谐 振 电 容 进 行 续 流 。 在 该 电 路 中 ， 由 于 谐 振 电 容 的 作 用 ， 开 关 在 零 电 压 (ZVS

13、)条 件 下 开 通 和 关 断 。 由 于 主 开 关 上 的 电 压 是 交 变 的 ， 所 以 主 开 关 必 须 具 有 反 向 关 断 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 开 关 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )时 ， 续 流 二 极 管 一 定 要 和 主 开 关 器 件 串 联 以 防 止 反 向 击 穿 。 当 使 用 晶 闸 管 逆 变 桥 时 ， 还 要 求 谐 振 电 路 一 定 要 早 于 逆 变 桥 之 前 工 作 ， 有 关 文 献 已 给 出 了 这 个 问 题 的 详 细 分 析 。 (3)负载谐振逆变器的一般特性负载谐振逆变器主要适用于连续负载，谐振发生在整个开关周期。为了缩小输出电压畸变，通过对fs的微小变化而获得较宽的输出电压范围，谐振网络的品质因素Q必须尽可能