【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 6 本章小結(jié) 本章 主要 介紹了軟開關(guān)發(fā)展歷程以及軟開關(guān)逆變的技術(shù)基礎(chǔ)，即 PWM 脈寬調(diào)制原理 ，同時(shí)介紹了電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，也介紹了軟開關(guān)發(fā)展的三個(gè)階段及 軟開關(guān)的 損耗。 軟開關(guān)逆變整流器 7 第 3 章 軟開關(guān)的分類 軟開關(guān)型逆變主電路 目前常見的軟開關(guān)型逆變主電路基本形式 ： ① 零電流開關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路； ② 零電壓開關(guān)（ ZVS）諧振逆變主電路； ③ 多諧振（ MRC）逆變主電路； ④ 串聯(lián)諧振逆變主電路； ⑤ 并聯(lián)諧振逆變主電路； ⑥ E 類逆變主電路 ⑦ 直流母線諧振逆變主電路； ⑧ 移相控制 諧振逆變主電路； 基本的軟開關(guān)逆變主電路介紹和了解 零電流開關(guān)（ ZCS）諧振逆變主電路 如圖 31a 所示，零電流開關(guān)是指通過輔助的 LC 諧振元件、整型功率器件上的電流波形，使得功率器件在零電流的條件下自然關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)器件的自然換流。零電流開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于降低了器件的關(guān)斷損耗，對(duì)具有少子導(dǎo)電的功率器件如 IGBT、 BJT 等等，效果很好。此外，由于諧振電路的配置關(guān)系，使得電路對(duì)分布參數(shù)的敏感性降低。其缺點(diǎn)是流過有源開關(guān)的電流是正弦波，導(dǎo)致有較高的電流有效值和電流峰值，另外，諧振電路的環(huán)流也產(chǎn)生 了附加的導(dǎo)電損耗。在開通時(shí)，斷態(tài)時(shí)存在于器件輸出電容的能量，在器件內(nèi)部損耗掉，影響高頻工作時(shí)的效率。大電壓開通時(shí)的 di/dt 經(jīng)密勒電容與門極驅(qū)動(dòng)電路耦合，引起對(duì)門極電路的干擾。 零電壓開關(guān)（ ZVS）諧振逆變主電路 如圖 31b 所示，零電壓開關(guān)是指通過輔助的諧振元件電感和電容，整型功率器件上的電壓波形，使得功率器件的輸出電容電壓在器件開通前降為零，為元件的開通創(chuàng)造零電壓條件，并消除器件寄生輸出電容相關(guān)的開通損耗，使得開關(guān)頻率大大提高。但是 ZVS 有兩個(gè)缺點(diǎn)，一個(gè)缺點(diǎn)是器件過大的電壓應(yīng)力，此應(yīng)力與電 壓范圍成正比，使得很難實(shí)現(xiàn)負(fù)載大范圍的 ZVS。另一個(gè)缺點(diǎn)是由與諧振電容一起諧振的整流二極管引起，若是阻尼振蕩，則在高頻下一起過大的損耗，若是非阻尼振蕩，則對(duì)逆變器的電壓增益有一定的影響，因而可能引起閉環(huán)振蕩。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 8 多諧振（ MRC）逆變主電路 如圖 31c 所示，多諧振逆變主電路是指在一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)中綜合零電壓與零電流開關(guān)的特性，諧振電容既與開關(guān)器件并聯(lián)，又與二極管相并聯(lián)，把開關(guān)器件和二極管都形成零電壓開關(guān)，其主要優(yōu)點(diǎn)是把所有的主要的寄生參數(shù)（功率器件的輸出電容，二極管的結(jié)電容和變壓器的漏感等等）都并入諧振 電路內(nèi)，使得電路中的器件均在零電壓時(shí)導(dǎo)通，從而降低了開關(guān)損耗，提高了工作效率。以上三種電路缺點(diǎn)是調(diào)頻工作時(shí)，器件所受的電壓電流應(yīng)力大。 VTLCVD VTLCVD VTLCVDC a） ZCS b） ZVS c） MRC 圖 31 零電流，零電壓，多諧振開關(guān)電路 串聯(lián)諧振逆變主電路 如圖 32 所示，串聯(lián)諧振逆變主電路原來是為了功率開關(guān)器件自然換流而使用的。電感 L、電容 C、功率器件和負(fù)載串聯(lián)在一起形成一個(gè)欠阻尼電路，由于電路是欠阻尼的， 引起震蕩，這樣流過功率開關(guān)的電壓出現(xiàn)自然過零現(xiàn)象。所以，串聯(lián)諧振逆變電路比較合適于恒定負(fù)載的電路，在串聯(lián)諧振逆變電路中，開關(guān)器件本身可以是反向二極管，既雙向開關(guān)；也可以是單向開關(guān)。圖 32a、 b 分別為半橋串聯(lián)諧振逆變電路和全橋串聯(lián)逆變電路。 V T 1V T 2LVD1VD2C1CRC2V T 4V T 2LVD4VD2CRVD1VD3V T 1V T 3 a）半橋串聯(lián)諧振逆變電路 b）全橋串聯(lián)諧振逆變電路 圖 32 串聯(lián)諧振逆變電路 軟開關(guān)逆變整流器 9 并聯(lián)諧振逆變主電路 在串聯(lián)諧振逆變主電路中，電感 L、電容 C、功率開關(guān)、負(fù)載是串聯(lián)在一起的。而在并聯(lián)諧振電路中，負(fù)載是與電 容 C 并聯(lián)在一起的。電路也是欠阻尼的，使得流過開關(guān)器件的電流自然過零實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。在晶閘管中頻爐常常采用這種方法實(shí)現(xiàn)晶閘管的自然換流， 如 圖 33a、 b 分別以半橋并聯(lián)的諧振電路和全橋并聯(lián)的諧振逆變電路?？梢钥闯?，無論是串聯(lián)諧振逆變電路還是并聯(lián)諧振逆變電路，其輸出功率的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)頻率來進(jìn)行的。由于電路中的電流或電壓是正弦的，電路中功率器件受到很大的應(yīng)力，與電路的 Q 值成正比。 V T 1V T 2LVD1VD2C1CRC2V T 4V T 2LVD4VD2CRVD1VD3V T 1V T 3 a）半橋并聯(lián)的諧振電路 b）全橋并聯(lián)的諧振電路 圖 33 并聯(lián)諧振逆 變主電路 E 類逆變主電路 E 類逆變主電路是與 E 類放大電路改進(jìn)并由串聯(lián)諧振逆變改型而成。其電路如圖 34 所示， E 類逆變主電路的優(yōu)點(diǎn)是消除開關(guān)損耗，減少電磁干擾。主要缺點(diǎn)是有較大的峰值電流流過開關(guān)，開關(guān)器件承受較大的電壓應(yīng)力。 L LrRCrCUsV T 1 圖 34 E 類逆變主電路 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)論文 10 直流母線諧振逆變主電路 1986 年，美國(guó)威斯康星大學(xué)的 教授提出“諧振直流環(huán)逆變器（諧振環(huán)）的概念”，對(duì)于軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用逆變器起了很大的推動(dòng)作用。在直流輸出端和逆變器之間接入一個(gè) LC 振蕩電路，這樣具有恒定直流電壓的母線 變成一個(gè)高頻直流脈動(dòng)或高頻交流母線，從而在母線上出現(xiàn)電壓過零現(xiàn)象，掛在這樣母線上的逆變器又派生出很多新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。諧振直流環(huán)逆變器基本電路如圖 35 所示，利用諧振元件 Lr和 Cr及諧振控制開關(guān) VT1 在逆變器的輸入直流電路產(chǎn)生諧振，把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列高頻脈沖電壓供給逆變器，其優(yōu)點(diǎn)是整流、諧振、逆變?nèi)N功能組合電路，功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)條件與負(fù)載無關(guān)，易于控制。 a）逆變器電路 0U c rtb） b）波形圖 圖 35 諧振直流環(huán)逆變器電路和波形 諧振直流環(huán)逆變器的主要缺點(diǎn)是： 1 直流環(huán)節(jié)振蕩電壓 幅值較大，一般為兩倍以上的電源電壓。 2 為了使 L、 C 振蕩電路每次過零點(diǎn)，需設(shè)置附加電路補(bǔ)充振蕩電路的能量損耗，以提供足夠的能量使振幅值過零點(diǎn)。 3 由于只能在 U=0 時(shí)，才能切換開關(guān)狀態(tài)。諧振直流環(huán)逆變器只能采用離散脈沖調(diào)制的方法來控制。 相移控制的全橋逆變主電路 相移控制全橋軟開關(guān)的逆變主電路是在 PWM 全橋逆變主電路基礎(chǔ)上發(fā)展起軟開關(guān)逆變整流器 11 來的。由于其開關(guān)頻率恒定，在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) PWM 控制，而在功率開關(guān)器件換流瞬間實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)換流，減少了開關(guān)損耗，降低硬開關(guān)造成的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，相移控制全橋開關(guān) 逆變電路綜合了 PWM 控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和軟開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，所以其一出現(xiàn)，便受到了人們的青睞。相移控制的全橋逆變主電路，是利用主電路功率器件本身 的二極管導(dǎo)通時(shí)，開通功率器件，實(shí)現(xiàn)零電壓開通的，主電路根據(jù)控制信號(hào)的不同，分為超前橋臂和滯后橋臂，兩者工作情況不同。相移控制的全橋逆變電路主電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖 36 所示，其詳細(xì)情況下面將會(huì)介紹。根據(jù)導(dǎo)通的次序， VT VT3 稱為超前橋臂， VT VT4 稱為滯后橋臂。以上各種各樣的軟開關(guān)逆變主電路的應(yīng)用，能夠使得功率器件的開關(guān)軌跡大為改變，拓寬功率器件的安全工作區(qū)，降低了 開關(guān)耗損和過大的 du/dt 和 di/dt 現(xiàn)象，減少干擾，克服了常規(guī)硬開關(guān)型逆變電路的缺點(diǎn)，但同時(shí)也帶來新的問題，主要有以下方面： ① 由于大多數(shù)軟開關(guān)電路是依靠 L、 C 振蕩使得電路產(chǎn)生零電壓或零電流開關(guān)條件的， L、 C 振蕩所產(chǎn)生的正弦波具有較高的電壓或電流的有效值，通常會(huì)使導(dǎo)電耗損有所增加，功率器件所受的電壓與電流的應(yīng)力都要不相應(yīng)的硬開關(guān) PWM逆變功率器件承受的壓力大，并且該應(yīng)力隨電路的 Q 值和負(fù)載變化而變化。 ② 大多數(shù)軟開關(guān)電路均是依靠改變開關(guān)頻率來改變逆變器的輸出，開關(guān)頻率大范圍變化使得濾波器、變壓器設(shè)計(jì)難以優(yōu)化，干 擾難以抑制。 ③ 由于用調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出，負(fù)載變化大時(shí)，相應(yīng)的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應(yīng)的 PWM 逆變電路窄，超前一定范圍后 ,逆變電路不能達(dá)到零電壓或零電流開關(guān)條件，不能達(dá)到滿載（短路）或空載，由于存在以上種種問題。迄今為止，應(yīng)用較好的例子基本不變或變化不大的各種電路。 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）相移控制主電路 b）驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖 圖 36 相移控制主電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文 12 本章小結(jié) 本章詳細(xì) 介紹了軟開關(guān) 型逆變主電路的主要 分類，針對(duì)硬開關(guān)型弧焊逆變器研究存在的開關(guān)損耗、頻率進(jìn) 一步提高困難等問題，介紹研究了開關(guān)損耗小，頻率更高的軟開關(guān)弧焊器，并著重討論了相移控制串聯(lián)諧振式零電壓零電流軟開關(guān)全橋弧焊逆變器的原理、特點(diǎn)等。 軟開關(guān)逆變整流器 13 第 4 章 零電壓零電流 PWM 移相控制 軟開關(guān)型全橋逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 目前，由于歷史的原因，弧焊逆變器大多數(shù)采用單端逆變、半橋逆變和全橋逆變電路。一個(gè)合理的構(gòu)造軟開關(guān)型弧焊逆變器的思路，就是在這三種電路的基礎(chǔ)上構(gòu)造出來的。合理的軟開關(guān)型逆變電路的研究方向，應(yīng)該是綜合 PWM 控制技術(shù)逆變電路及軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 理想的軟開關(guān)逆變器應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率恒定，而在功率器件換流階段，實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)換流（零電壓或電流開通和關(guān)斷）。開關(guān)頻率恒定，以利于與頻率有關(guān)的器件，如變壓器、電感、電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且可以避免以調(diào)頻方式調(diào)節(jié)輸出功率時(shí)，主電路功率器件所受的過大的開關(guān)應(yīng)力，而軟開關(guān)技術(shù)的使用則避免硬開關(guān)電路的缺點(diǎn)。 單端軟開關(guān)型逆變主電路 對(duì)采用單端正激或單端反激為主電路的逆變器來說，可以采用零電壓（ ZVS）或零電流（ ZCS）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)逆變技術(shù)，但采用輔助的電感和電容來達(dá)到零電壓或零電流的開關(guān)條件會(huì)增加 電路的復(fù)雜性。電路的逆變調(diào)節(jié)使得電壓或電流的應(yīng)力較大。 軟開關(guān)型全橋逆變主電路 為了使輸出功率能夠夠大，逆變器主電路結(jié)喉往往采用全橋逆變電路。目前適合采用軟開關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路有： ① 全橋串聯(lián)諧振逆變電路； ②全橋并聯(lián)諧振逆變電路：③高頻直流諧振環(huán)逆變電路；④移相控制全橋逆變控制電路。 全橋逆變電路的主電路如圖 41 所示，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)即是實(shí)現(xiàn)功率器件 VTVT VT VT4 的零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，有根據(jù)負(fù)載方式實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)的，這就是全橋諧振逆變電路，全橋并聯(lián)諧振逆變電路以及它們的組合 電路，也有根據(jù)控制方式實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)逆變技術(shù)的，移相控制全橋逆變控制電路就屬于這種方式。 （ 1）全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變主電路 對(duì)全橋串聯(lián)逆變主電路而言，既可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，又可以實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，具體的情況要根據(jù)開關(guān)頻率和負(fù)責(zé)的情況來決定，其基本原理如下：假設(shè)在一定的頻率下，保證負(fù)載是感性，感性負(fù)責(zé)電壓超前電流。在逆變過程中，換流是在橋臂之間進(jìn)行，關(guān)斷 VT VT2 時(shí)，電流轉(zhuǎn)移到 VD VD4（如全橋逆變 PWM主電路），詳細(xì)通斷和換流過程將在下面結(jié)合移相電路一起介紹。 VT VT2， VTVT4 均可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，如果負(fù)載是容性負(fù)載，則由于容性負(fù)載電流超前電河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)論文 14 壓，換流是在橋臂內(nèi)部完成，既是電流從 VT VT2 轉(zhuǎn)移到 VD VD2，所以 VTVT VT VT4 均可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，這也是中頻晶閘管加熱爐常常采用容性負(fù)責(zé)方法使晶閘管自然關(guān)斷方法，以上是采用負(fù)載諧振來實(shí)現(xiàn)功率器件軟開關(guān)的方法，輸出功率調(diào)節(jié)主要依靠調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)，需要有的范圍線性度好的壓控諧振器（ VCO），電路匯總器件所受的應(yīng)力與電路的 Q 值成正比例。 VT 4VT 2LVD4VD2C2RVD1VD3VT 1VT 3C1C3C4L2C5D1 1D1 3D1 2D1 4AB 圖 41 全橋 PWM逆變主電路 （ 2）半橋串并諧振逆變電路 等提出了一個(gè)關(guān)于半橋零電壓軟開關(guān)逆變器，原理是利用開關(guān)頻率比電路諧振頻率高，負(fù)載呈感性，如圖 42a 所示，關(guān)斷 VT2 后，由于是感性負(fù)載，電流從 VT2 轉(zhuǎn)移到 VD1，所以