諧振軟開關(guān)技術(shù)及其在逆變電源中的應(yīng)用

摘要：為了獲得更高的性能指標(biāo)、更高的效率、更高的功率密度，軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)在DC/AC逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在這一領(lǐng)域中所做的大量工作并沒有得到廣泛的認(rèn)識，撰寫本文的目的在于嘗試著對軟開關(guān)技術(shù)的DC/AC電路進(jìn)行一個簡單的分類，并對其工作原理、性能、設(shè)計上的局限性及其優(yōu)缺點進(jìn)行扼要的分析。也重點討論了諧振軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：零電壓開關(guān)零電流開關(guān)諧振軟開關(guān)

The Application of Resonant Soft switching Techniques in Invert Power 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 the 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

近十幾年來，由于電路簡單和控制方便，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已經(jīng)成為功率電子技術(shù)中DC/AC逆變器的一個重要的選擇。PWMDC/AC變換器在不間斷電源(UPS)、電機(jī)驅(qū)動、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于開關(guān)損耗和半導(dǎo)體器件額定電流的限制，使得逆變器中的開關(guān)頻率只工作在大約幾個千赫茲，逆變器的功率也只有幾個千瓦。眾所周知，隨著開關(guān)頻率的提高，逆變器的功率密度和性能將會得到很大的改善。當(dāng)然，開關(guān)頻率的提高要受到以下因素的影響：

●在功率開關(guān)開通和關(guān)斷過渡期間的開關(guān)應(yīng)力(很高的電壓和電流峰值)，將會導(dǎo)致器件的安全工作區(qū)(SOA)加大；

●開關(guān)損耗；

●嚴(yán)重的di/dt和dv/dt將會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。

　　與PWM硬開關(guān)電路相反，在諧振軟開關(guān)電路中，開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下切換，理論上開關(guān)損耗為零。因此，與硬開關(guān)電路相比，在采用同一類型開關(guān)器件的條件下，諧振軟開關(guān)電路可以很輕松地在高出一個或幾個數(shù)量級的開關(guān)頻率下工作。高的開關(guān)頻率使諧振軟開關(guān)電路具有許多明顯的優(yōu)點，如低噪音，低電磁干擾(EMI)，輸出波形的諧波成分少；另外，由于開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下動作，開關(guān)器件的動態(tài)過程大為改觀，這使得緩沖電路成為多余，散熱器尺寸明顯減小，從而使設(shè)備尺寸及重量也隨之大量減小，開關(guān)器件可在高可靠性和高效率條件下工作?？偠灾藗冞^去在硬開關(guān)PWM電路設(shè)計中追求的許多目標(biāo)，在軟開關(guān)條件下都很容易實現(xiàn)。

　　由于諧振軟開關(guān)逆變電路與常規(guī)硬開關(guān)逆變電路比較具有明顯的優(yōu)點，因此，近十年來，國內(nèi)外的許多研究人員每年都有大量的關(guān)于這個領(lǐng)域研究的論文發(fā)表，目前已提出多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振軟開關(guān)逆變電路。

2軟開關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

圖1軟開關(guān)技術(shù)逆變器分類

總的來說，逆變器根據(jù)其開關(guān)特性可分為硬開關(guān)技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)，所謂硬開關(guān)技術(shù)是指在開關(guān)切換瞬間，開關(guān)兩端有電壓或電流，所以不可避免的會產(chǎn)生開關(guān)損耗和EMI問題。同時，由于寄生電容和漏感的存在，在開關(guān)切換瞬間還會出現(xiàn)很高的電壓/電流峰值。而軟開關(guān)技術(shù)則是讓開關(guān)在兩端電壓或電流為零或極小的瞬間切換，從而避免了開關(guān)損耗和EMI問題。產(chǎn)生這個零電壓或零電流瞬間的方法則是在硬開關(guān)技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加由電感L、電容C或其它諸如二極管或輔助開關(guān)等元器件組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，使主開關(guān)兩端的電壓或電流始終在零點附近振蕩或穿過零點，從而給開關(guān)的零電壓/零電流切換（即軟開關(guān)技術(shù)）提供了可能的條件。

　　諧振環(huán)節(jié)位置和結(jié)構(gòu)的變化，開關(guān)波形的特性不同及諧振的形式(如并聯(lián)或串聯(lián))，也使得軟開關(guān)技術(shù)DC/AC逆變器電路拓?fù)渥兊枚喾N多樣。圖1給出了軟開關(guān)技術(shù)逆變器的一個分類圖。

●負(fù)載諧振(LoadResonance)

把LC諧振網(wǎng)絡(luò)以串聯(lián)或并聯(lián)的方式加在負(fù)載側(cè)，為逆變橋主功率開關(guān)器件創(chuàng)造一個ZVS或ZCS條件。而DC總線側(cè)的電壓或電流波形保持不變。

●諧振過渡(Resonanttransition)

　　把LC諧振網(wǎng)絡(luò)加在逆變橋上，開關(guān)上的寄生電容也成為諧振模式的一部分，為主功率開關(guān)器件創(chuàng)造一個ZVS或ZCS條件。而輸入端DC總線波形保持不變。

●諧振環(huán)節(jié)(ResonantLink)

　　把諧振網(wǎng)絡(luò)加在輸入DC源和逆變橋之間，這樣輸入總線上的電壓就成為一個脈沖序列，為功率開關(guān)器件創(chuàng)造軟開關(guān)技術(shù)條件，所以，它和傳統(tǒng)意義上的PWM系統(tǒng)，有著較大的區(qū)別。

3軟開關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類

3?1負(fù)載諧振逆變器

　　諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載相連，在整個開關(guān)周期內(nèi)(Ts=1/fs)以頻率fr進(jìn)行振蕩，這種負(fù)載上振蕩的電壓和電流就可以為逆變橋中的主功率器件創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，逆變橋可以是半橋或全橋結(jié)構(gòu)。一般情況下，分為兩類：

　　第一串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋串聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個方波電壓。負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間的連接是多種多樣的，串聯(lián)/并聯(lián)/混合諧振結(jié)構(gòu)(如串/并、并/串和多諧振)。

　　第二并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋并聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個方波電流，同樣，負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間也可以是串聯(lián)或并聯(lián)。

　　下面列出負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的兩個實例和一些基本特點：

　　(1)串聯(lián)諧振/并聯(lián)負(fù)載逆變器(SRPLI)

圖2示出了一個半橋的SPRLI電路。這種電路的特點是：

　　當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 容 性 ， 主 開 關(guān) 和 二 極 管 在 ZCS條 件 下 開 通 或 關(guān) 斷 。 有 源 開 關(guān) 的 開 通 取 決 于 電 路 的 控 制 信 號 ， 而 它 的 關(guān) 斷 則 依 靠 功 率 電 路 的 自 然 換 流 。 由 于 負(fù) 載 和 諧 振 電 容 并 聯(lián) ， 可 以 明 顯 縮 小 輸 出 電 壓 的 畸 變 。 在 實 際 應(yīng) 用 中 ， 為 了 限 制 功 率 開 關(guān) 中 的 短 暫 沖 擊 電 流 ， 應(yīng) 該 給 每 個 功 率 開 關(guān) 串 聯(lián) 一 個 電 感 。 這 種 電 路 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 感 應(yīng) 加 熱 、 航 空 電 源 等 大 功 率 (20kHZ/10kVA左 右 )場 合 。

當(dāng)fr>fs時，SRPLI工作在ZVS條件下，為了避免開關(guān)的關(guān)斷損耗，功率開關(guān)應(yīng)該并聯(lián)一個吸收電容。這種情況下，如果構(gòu)成全橋電路，其輸出可采用移相調(diào)制的方法來控制。該結(jié)構(gòu)還有一些特征，即相對于開關(guān)周期來說，諧振只發(fā)生在一個很短的瞬間，而

圖2SRPLI電路

圖3PRSLI電路

且開關(guān)上的寄生電容和隔離變壓器上的漏感抗在逆變側(cè)成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。由于這種電路的這些特點，它已廣泛應(yīng)用于高頻電源的設(shè)計中。

　　SRPLI電路的優(yōu)點是：輸出正弦波畸變較小，功率大效率高。

　　SRPLI電路的缺點是：變頻控制方法受到限制，且有一定的輸出畸變。另外由于制造的原因或參數(shù)的瞬態(tài)變化使得開關(guān)頻率漂移，從而不便調(diào)整輸出電壓。

(2)并聯(lián)諧振/串聯(lián)負(fù)載逆變器(PRSLI)

　　圖3示出了一個典型的PRSLI結(jié)構(gòu)，該電路實際上是圖2電路的一個對稱電路，用了一個隔離變壓器來代替輸出電感，諧振電感Lr與負(fù)載串聯(lián)并向其提供調(diào)制電流。當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 感 性 ， 這 樣 ， 開 關(guān) 的 開 通 時 間 取 決 于 電 路 的 自 然 特 性 ， 而 開 關(guān) 的 關(guān) 斷 由 控 制 信 號 決 定 。 例 如 ， 只 有 當(dāng) 開 關(guān) S1兩 端 的 電 壓 回 到 零 時 ， 它 才 能 開 通 。 然 而 ， 開 關(guān) S1可 以 在 任 何 時 間 被 控 制 信 號 關(guān) 斷 ， 并 且 由 諧 振 電 容 進(jìn) 行 續(xù) 流 。 在 該 電 路 中 ， 由 于 諧 振 電 容 的 作 用 ， 開 關(guān) 在 零 電 壓 (ZVS)條 件 下 開 通 和 關(guān) 斷 。 由 于 主 開 關(guān) 上 的 電 壓 是 交 變 的 ， 所 以 主 開 關(guān) 必 須 具 有 反 向 關(guān) 斷 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 開 關(guān) 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )時 ， 續(xù) 流 二 極 管 一 定 要 和 主 開 關(guān) 器 件 串 聯(lián) 以 防 止 反 向 擊 穿 。 當(dāng) 使 用 晶 閘 管 逆 變 橋 時 ， 還 要 求 諧 振 電 路 一 定 要 早 于 逆 變 橋 之 前 工 作 ， 有 關(guān) 文 獻(xiàn) 已 給 出 了 這 個 問 題 的 詳 細(xì) 分 析 。

(3)負(fù)載諧振逆變器的一般特性

　　負(fù)載諧振逆變器主要適用于連續(xù)負(fù)載，諧振發(fā)生在整個開關(guān)周期。為了縮小輸出電壓畸變，通過對fs的微小變化而獲得較寬的輸出電壓范圍，諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素Q必須盡可能地高。品質(zhì)因素Q的定義如下：(1)

　　從式(1)中可以看出，當(dāng)要求品質(zhì)因素Q較高時，必須使諧振環(huán)節(jié)的能量儲存峰值增大，即諧振元件容量加大。由于諧振元件放置在主功率傳輸通道上，所以該類型逆變器中的各個元器件都要承受較高的電壓和較大的電流。因此，串聯(lián)諧振逆變器應(yīng)用的最大功率就受到了一定的限制。但在諧振頻率附近，負(fù)載諧振逆變器能夠提供易于調(diào)節(jié)的輸出電壓，這時，負(fù)載上的功率因數(shù)接近于1，而且功率器件上的電壓和電流變化率較小。

3?2諧振過渡逆變器

　　在這種逆變器中，輸入總線電壓或電流是固定不變的，而軟開關(guān)條件的實現(xiàn)是通過逆變開關(guān)兩端的電壓和電流諧振而產(chǎn)生的。理想狀況下，諧振只發(fā)生在開關(guān)過渡的瞬間，而且應(yīng)該使諧振電路在功率傳遞到負(fù)載的過程中吸收的能量達(dá)到最小值，當(dāng)然諧振能量一定要足夠大(與負(fù)載的變化無關(guān))，以滿足產(chǎn)生ZVS或ZCS的條件。

　　這類逆變器包括極諧振電路、諧振吸收電路、準(zhǔn)諧振電路和軟開關(guān)過渡技術(shù)的PWM轉(zhuǎn)換(ZVT和ZCT)。

(1)極諧振逆變器(RPI)

　　極諧振技術(shù)的最早應(yīng)用是在DC/DC變換器中，但后來在DC/AC逆變器中被證明也是一種較方便的方法。這一類逆變器的共同特點是：輔助諧振電路放置在逆變橋上。對于三相逆變器來說，輔助諧振電路由原來的一組變?yōu)槿M，即每橋臂均配有一組，通過輔助諧振電路，使每一相極點(即每一橋臂上下開關(guān)器件連接點)電壓產(chǎn)生諧振，從而為開關(guān)器件創(chuàng)造了零電壓導(dǎo)通條件。

　　圖4給出了一個單相極諧振逆變器(RPI)的原理圖。

圖4單相RPI電路

工作過程簡述如下：

　　設(shè)主開關(guān)器件上的電壓是Us，諧振電感不斷地被極電壓Us所充電和放電，且供給負(fù)載一個交變的電流，電感Lr和電容Cr的諧振只發(fā)生在極電壓反向瞬間。

　　假設(shè)S2導(dǎo)通，S1處于關(guān)斷狀態(tài)，為了激活RPI工作過程，S2在ZVS處關(guān)斷，并聯(lián)諧振電感Lr在兩個諧振電容Cr之間進(jìn)行能量的交換。S1上的電壓達(dá)到零點時由二極管D1導(dǎo)通，對負(fù)載電流進(jìn)行續(xù)流。這時，諧振電感被直流電壓充電至Us/2，且S1可在此刻實

圖5ARCPI電路

現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。事實上，由于諧振過程僅僅只發(fā)生在開關(guān)周期的極小一部分，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被稱為準(zhǔn)諧振ZVS。

　　極諧振逆變器發(fā)展的最大障礙是開關(guān)的沖擊電流，這是由于為了給主開關(guān)器件創(chuàng)造一個ZVS的條件，必須使電感電流足夠大以滿足和諧振電容之間的能量交換，由此而引起開關(guān)上的電流峰值和有效值至少分別是負(fù)載電流的2倍和1?2倍。所以功率器件的感性損耗可能要比傳統(tǒng)意義上的PWM逆變器高出很多，而且導(dǎo)致了過高的元器件成本和過低的開關(guān)利用率。

　　另一方面，對于那些較輕的負(fù)載，電感電流還不一定會有效地創(chuàng)造出ZVS條件，使得逆變器的帶載能力范圍受到了限制。還有，由于諧波電感和負(fù)載串聯(lián)，所以這種結(jié)構(gòu)的逆變器似乎也不適合于電動機(jī)的驅(qū)動。

　　(2)諧振吸收逆變器

　　諧振吸收逆變器也稱為輔助諧振轉(zhuǎn)換極逆變器(ARCPI)，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　在該電路中，對應(yīng)每一相，都有一個LC的諧振轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。諧振轉(zhuǎn)換電路包括諧振電感Lr和并聯(lián)在每個主開關(guān)上的諧振電容Crp/Crn，主開關(guān)為自關(guān)斷器件。其工作原理也非常容易理解：假設(shè)負(fù)載電感L1遠(yuǎn)大于諧振電感Lr，那么在主開關(guān)換向瞬間，負(fù)載電流可以看成是一恒流源，初始狀態(tài)io為圖示方向，開關(guān)Sp處于關(guān)斷，二極管Dn處于續(xù)流狀態(tài)，即主電流io流過Dn。開通V1及Sn，諧振電流iL開始線性增加，當(dāng)iL到達(dá)io時，流過Dn的電流變?yōu)榱悖琲L－io的差值流過開關(guān)Sn，當(dāng)iL－io升高室整定值時，關(guān)斷Sn，諧振開始，在諧振期間，輸出電壓Uo從零增加，當(dāng)Uo等于Us時，開關(guān)Sp就可以在零電壓下開通，同時iL下降為零時，在零電流條件下關(guān)斷V1。關(guān)于這種類型的逆變器的發(fā)展和應(yīng)用請參閱參考文獻(xiàn)1。

　　(3)軟開關(guān)過渡PWM逆變器(ZVT－PWM、ZCT－PWM)：

　　軟開關(guān)過渡技術(shù)的概念最初的應(yīng)用出現(xiàn)在AC/DC和DC/DC變換器中，后來才被擴(kuò)展到DC/AC逆變器中。這種結(jié)構(gòu)綜合考慮了PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點。在這種模式的逆變器電路結(jié)構(gòu)中，直流總線上的電壓/電流是固定不變的，而逆變橋則采用傳統(tǒng)的PWM調(diào)制方式，增加了一個輔助的諧振電路。

　　輔助諧振電路只工作在逆變橋開關(guān)的切換瞬間，而開關(guān)周期的其余時間維持PWM調(diào)制的特點。輔助開關(guān)的工作過程一定要和PWM控制同步。

①ZVT－PWM逆變器

其三相電路如圖6所示。

當(dāng)主功率開關(guān)零電壓/零電流過渡換向的時候，輔助開關(guān)Sr導(dǎo)通，經(jīng)過二極管Dfb把多余的電感能量反饋回直流側(cè)。所有的二極管均在零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，而主功率開關(guān)在零電壓條件下切換，這樣開關(guān)損耗將會顯著地降低。

　　ZVT－PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主功率器件通常選用MOSFET或IGBT。它們的寄生電容將成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。所以這種電路可以工作在很高的開關(guān)頻率下，除了主功率開關(guān)切換過渡的瞬間，這種電路的工作過程和傳統(tǒng)意義上的PWM電路完全類似。

　　顯然，諧振電感Lo和逆變橋上電容（C1～C6）之

圖6ZVT－PWM逆變器

圖7ZCT－PWM逆變器

間的諧振是有源開關(guān)獲得零電壓切換的必備條件。由于所有的有源器件ZVT開關(guān)過程都處于PWM操作過程當(dāng)中，所以相對于傳統(tǒng)的PWM電路，這種拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)順序就顯得比較復(fù)雜。

　　在這種電路結(jié)構(gòu)中，由于負(fù)載電感不是逆變器零電壓工作的一部分，所以該電路可以用于電動機(jī)驅(qū)動。

②ZCT－PWM逆變器

　　其三相電路如圖7所示。

該逆變器電路實際上是一種在大功率晶閘管型逆變器中所使用的電流脈沖強(qiáng)迫換流電路的改進(jìn)。電感Lo和電容Co之間的諧振給逆變橋上的有源開關(guān)在零電流條件下的關(guān)斷提供了一個沖擊電流。這就要求強(qiáng)迫給電路中開關(guān)上的電壓變化峰值要比DC總線上的電壓高出很多。為了在ZCS下?lián)Q向，逆變橋中每個橋臂都需要兩個輔助開關(guān)，兩個續(xù)流二極管和一個電阻Rd。當(dāng)然，這種器件數(shù)量的增加無疑使得電路的工作過程變得復(fù)雜起來。

　　ZCT－PWM逆變器優(yōu)點是：由于所有的有源開關(guān)都是在ZCS條件下開通或關(guān)斷，顯著減小了有源開關(guān)和所有二極管上的電壓/電流變化峰值。另外和電流脈沖強(qiáng)迫換流電路相比，輔助電路諧振中的循環(huán)能量將隨負(fù)載電流的變化而被調(diào)整，但并不損耗，所以電流峰值大約只有負(fù)載電流的1?1倍，而且輔助電路中的電感損耗也明顯地減少。然而，ZCT－PWM逆變電路也存在著不足之處：逆變橋上的二極管和輔助開關(guān)都不是軟關(guān)斷，而是在一定的負(fù)載電流下關(guān)斷，所以關(guān)斷損耗對該電路來說是一個需要解決的問題。

③一般特性：

　　對于ZVT－PWM逆變電路，當(dāng)輔助網(wǎng)絡(luò)工作時，無論是從直流側(cè)還是從負(fù)載側(cè)來看都是一個并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，而對于ZCT－PWM逆變電路，卻是一個串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。這兩種電路中逆變橋上的開關(guān)都各自獨立地在ZVS或ZCS條件下開通或關(guān)斷。然而在ZVT－PWM逆變電路中，輔助開關(guān)和所有的二極管只能在ZCS條件下開通或關(guān)斷，而在ZCT－PWM逆變電路中，輔助開關(guān)和逆變橋上的二極管卻都是在一定的負(fù)載電流下進(jìn)行硬關(guān)斷。另外，在這兩種電路中，諧振網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的位置和諧振吸收電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很相似。近年來，對這種逆變器不斷探索改進(jìn)的主要目標(biāo)是使這種電路的工作特性更接近于傳統(tǒng)的PWM電路。

3?3諧振環(huán)節(jié)逆變器

　　在諧振環(huán)節(jié)逆變器的電路中，諧振環(huán)節(jié)位于直流總線上。根據(jù)該諧振環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)特性和開關(guān)模式，此種逆變器又分為以下兩種類型：

　　●諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTAC－LINKINVERTER—RACLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是交流的電壓或交流的電流，從而給逆變橋上的開關(guān)提供了ZCS或ZVS條件，同時也就要求逆變橋上的開關(guān)必須是雙向器件。

　　●諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTDC－LINKINVERTER—RDCLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是直流脈沖，同樣可以為逆變橋上的開關(guān)提供ZCS或ZVS條件，這時逆變橋上的開關(guān)只要求是單向器件。

(1)RACLI電路

　　圖8示出了串聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(SRACLI)和并聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(PRACLI)的電路。

　　在SRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個正弦波電流，而在PRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個正弦波電壓。它們的固定頻率：

圖8RACLI電路

（a）SRACLI電路（b）PRACLI電路

圖9PRDCLI電路

在圖8(a)所示SRACLI電路中，一般情況下，為了獲得較高的諧振頻率，串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)都選擇較小的電感，同時，由于諧振環(huán)節(jié)的輸出是交變的電流，所以逆變橋上的開關(guān)必須是雙向開關(guān)，也可以是大功率的器件，如TRIAC。另外逆變橋工作在循環(huán)換流模式，諧振電流每周期兩次通過自然零點，而逆變橋上的開關(guān)也僅在此時進(jìn)行換向觸發(fā)。

　　在圖8(b)所示PRACLI電路中，電感Lr和Cr并聯(lián)構(gòu)成一個諧振環(huán)節(jié)，放置在DC總線和逆變橋之間，為逆變橋提供一個交變的電壓，而逆變橋上的開關(guān)只在零電壓瞬間進(jìn)行切換。PRACLI電路中的開關(guān)同樣要求選用雙向開關(guān)器件以承擔(dān)交變電壓。

這種類型的逆變器基本的調(diào)制模式是DPM(DiscretePulseModulation)。這時候，開關(guān)控制信號使得主開關(guān)在半周期或全周期時刻觸發(fā)，把諧振環(huán)節(jié)的高頻脈沖傳送給輸出。輸出電壓中的脈沖數(shù)量取決于諧振環(huán)節(jié)的頻率，輸出基波幅值和期望輸出頻率。

(2)RDCLI電路

　　諧振直流環(huán)節(jié)逆變器也分為并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(PRDCLI)和串聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(SRDCLI)。此時，諧振直流環(huán)節(jié)的輸出是一系列的直流脈沖電壓或直流脈沖電流。

　　①PRDCLI電路

圖9示出了一個三相PRDCLI電路，由Lr和Cr組成的諧振環(huán)節(jié)把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列的高頻脈沖直流電壓波Ud(t)供給逆變橋，該脈沖電壓Ud(t)在過零時就為逆變橋開關(guān)提供了一個ZVS條件。

　　在實際電路中，由于每個諧振周期初始條件的可能變化，使得過零失敗或總線電壓Ud(t)過壓沖擊都可能發(fā)生。為了使得每個開關(guān)周期的初始條件相同，就需要采用一些特殊的控制策略。關(guān)鍵是通過控制電容的初始電流I0來解決過零問題和電壓問題，I0應(yīng)該隨輸入電感初始電流IL0和逆變橋輸入電流Id的變化而變化。

　　這種類型逆變器基本的調(diào)制模式是DPM控制方式(比如δ調(diào)制)。DPM控制下的輸出頻率特性遠(yuǎn)比PWM波形要差，只有當(dāng)DPM逆變器的工作頻率高于PWM逆變器工作頻率幾倍時，兩者輸出波形品質(zhì)才基本相當(dāng)，而這一點對于RDCLI電路來說是不難做到的。

　　RDCLI電路也有不足之處，首先，由于在直流環(huán)節(jié)上進(jìn)行電壓諧振，使得Ud高達(dá)2～3倍的Us，這樣一來逆變開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力明顯增加，另外，由于諧振電感Lr處于主功率傳送通道上，其電阻將消耗很大一部分輸入功率，造成逆變器效率降低及Lr發(fā)熱。為了解決這些問題，各國學(xué)者先后推出許多改進(jìn)電路，其典型電路如下：

　　●有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(ACRDCLI)

　　其三相電路如釁10所示。

在并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)電路中增加一個輔助開關(guān)SC和一個電壓吸收箝位電容(電解電容)，箝位電容上的電壓為(K－1)Us(K稱為箝位系數(shù)，K=1?2～1?4)，這種電路能取得較好的箝位電效果。但是，箝位電容的預(yù)充電問題和DPM調(diào)制方式使它的應(yīng)用受到了限制。

　　●準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)

　　準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的基本思路是在RDCLI電路中增加一個輔助開關(guān)，以達(dá)到控制諧振過程的目的，讓諧振只發(fā)生在逆變橋開關(guān)換向的瞬間，其余的時間仍然可以采用PWM調(diào)制方式。通過控制諧振發(fā)生和終止時刻，總線上的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)僅僅當(dāng)逆變橋需要換向的時候被觸發(fā)，為逆變橋提供一個“電壓凹槽”(一個很短的零電壓間隔)，在這個“電壓凹槽”間隔中，逆變橋開關(guān)就可以在零電壓條件下?lián)Q向，可達(dá)到限制Ud和降低Lr損耗的目的，以改善逆變器的特性。準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變電路存在的最大問題是準(zhǔn)諧振只發(fā)生在一個很小的脈沖范圍內(nèi)，而不一定

圖10ACRDCLI電路

圖11SRDCLI電路

能有效地與發(fā)生在極短時間間隔內(nèi)的PWM控制狀態(tài)相匹配。而近年來對空間矢量PWM調(diào)制方式的研究為這一問題的解決提供了一個熱點話題。

　　關(guān)于這一部分的詳細(xì)內(nèi)容請參閱參考文獻(xiàn)4。

圖12SQRPWMDCLI電路

　?、赟RDCLI電路

圖11給出了一個三相負(fù)載的SRDCLI電路。它實際上是PRDCLI電路的對偶電路，在這種電路中，一個很大的電感Ls給直流母線提供了偏置電流is，一個高頻的諧振環(huán)節(jié)LrCr串入主功率傳送通道，它們將會產(chǎn)生一個具有ZCS特征的直流母線電流id。這樣，在該電路中就可以使用大功率的晶閘管器件，也就是說這種電路可以應(yīng)用到較大的功率水平。

　　在這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也存在著諸如過高的環(huán)節(jié)電流峰值和控制的復(fù)雜性等問題。以及與圖9中PRDCLC電路中存在問題的對偶問題。同時也出現(xiàn)了許多改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。圖12串聯(lián)準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變器(SQRPWMDCLI)電路即是其中的有代表性的一個。

由于在SRDCLI電路中諧振電流的峰值有可能達(dá)到負(fù)載電流的6～7倍，所以在SQRPWMDCLI電路中使用了飽和磁芯的變壓器對該峰值進(jìn)行無源箝位，同時在諧振回路中增加了一個輔助開關(guān)Sr和二極管Dr，以控制諧振的發(fā)生和結(jié)束，從而使該電路能夠?qū)崿F(xiàn)PWM調(diào)制技術(shù)。

　　SRDCLⅠ電路的負(fù)載一定是容性的，如果負(fù)載為感性，則需要在輸出端增加電容。另外，由于在SRDCLⅠ電路中的功率開關(guān)在ZCS條件下開通和關(guān)斷，所以它有可能在較高的開關(guān)頻率下使用諸如晶閘管大功率器件，從而使該電路在大功率／高性能的應(yīng)用場合，如電機(jī)驅(qū)動方面極具吸引力。

4結(jié)語

本文系統(tǒng)地回顧和簡要地分析了軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和一般原理。給出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本工作原理和一些主要的應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)雖然在減小開關(guān)損耗，提高功率密度方面有很強(qiáng)的優(yōu)越性，但也存在著許多諸如開關(guān)應(yīng)力和控制復(fù)雜等缺點。這也使它的實際應(yīng)用還不非常廣泛。無論如何，各種各樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會在一定程度上解決許多方面的問題并克服許多缺點。還有許多方面的課題有待去探索和解決，并在不久的將來會得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社，1998.6

2王聰.軟性開關(guān)逆變器及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1993

3明正峰,鐘彥儒.極諧振軟開關(guān)過渡三相PWM逆變器研究新進(jìn)展.電源技術(shù)應(yīng)用，2000(4):145～148

4明正峰,鐘彥儒.準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)三相逆變器的最新發(fā)展和應(yīng)用.電子電子技術(shù)，2000(2):58～60