關(guān)鍵詞：高頻" title="高頻">高頻脈寬調(diào)制" title="調(diào)制">調(diào)制,；軟開關(guān)；逆變器,；零電壓開關(guān)
1 引言
由于對逆變器高頻化的追求,，硬開關(guān)所固有的缺陷變得不可容忍：開通和關(guān)斷損耗大;容性開通問題;二極管反向恢復(fù)問題;感性關(guān)斷問題;硬開關(guān)電路的EMI問題。因此,，有必要尋求較好的解決方案盡量減少或消除硬開關(guān)帶來的各種問題,。軟開關(guān)技術(shù)是克服以上缺陷的有效辦法。最理想的軟開通過程是：電壓先下降到零后,，電流再緩慢上升到通態(tài)值,，開通損耗近似為零。因功率管開通前電壓已下降到零,，其結(jié)電容上的電壓即為零,，故解決了容性開通問題，同時也意味著二極管已經(jīng)截止,，其反向恢復(fù)過程結(jié)束,，因此二極管的反向恢復(fù)問題亦不復(fù)存在。最理想的軟關(guān)斷過程為：電流先下降到零,，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零,。由于功率管關(guān)斷前電流已下降到零,，即線路電感中電流亦為零，所以感性關(guān)斷問題得以解決。
基于此,，本文探討性地提出了一種用于全橋逆變器的,，HPWM控制方式的ZVS軟開關(guān)技術(shù)，如圖1所示,。其出發(fā)點是在盡量不改變硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu),，即盡量不增加或少增加輔助元器件的前提下，有效利用現(xiàn)有電路元器件及功率管的寄生參數(shù),，為逆變橋主功率管創(chuàng)造ZVS軟開關(guān)條件,，最大限度地實現(xiàn)ZVS，從而達到減少損耗,，降低EMI,，提高可靠性的目的。
圖1 HPWM控制方式
2 HPWM控制方式下實現(xiàn)ZVS的工作原理
考慮到MOS管輸出結(jié)電容值的離散性及非線性,，每只MOS管并聯(lián)一小電容,，吸收其結(jié)電容在內(nèi)等效為C1－C4，且C1=C2=C3=C4=Ceff,；D1－D4為MOS管的體二極管,，則HPWM軟開關(guān)方式在整個輸出電壓的一個周期內(nèi)共有12種開關(guān)狀態(tài)?；谡摪胫軆蓚€橋臂工作的對稱性,，以輸出電壓正半周為例，其等效電路模式如圖2所示,。圖3給出了輸出電壓正半周的一個開關(guān)周期內(nèi)的電路的主要波形,，此時S4常通，S2關(guān)斷,。由于載波頻率遠大于輸出電壓基波頻率,，在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)近似認為輸出電壓Uo保持不變，電感電流的相鄰開關(guān)周期的瞬時極值不變,。
(a)模式A (b)模式A1 (c)模式B
(d)模式 B1(e)模式C (f)模式C1
圖2 HPWM軟開關(guān)方式工作狀態(tài)及電路模式
圖3 ZVS方式主要波形
1）模式A[t0,，t1] S1和S4導(dǎo)通，電路為＋1態(tài)輸出模式,，濾波電感電流線性增加,，直到t1時刻S1關(guān)斷為止。電感電流：
iL(t)=
（1）
2）模式A1[t1,，t2] 在t1時刻,，S1關(guān)斷，電感電流從S1中轉(zhuǎn)移到C1和C3支路,，給C1充電,，同時C3放電,。由于C1、C3的存在,，S1為零電壓關(guān)斷,。在此很短的時間內(nèi)，可以認為電感電流近似不變,，為一恒流源,，則C1兩端電壓線性上升，C3兩端電壓線性下降,。t2時刻,，C3電壓下降到零，S3的體二極管D3自然導(dǎo)通,，結(jié)束電路模式A1,。
I1=iL(t1)（2）
uc1(t)=
t2（3）
uc3(t)=Ud－
t（4）
3）模式B[t2，t3] D3導(dǎo)通后,，開通S3,，所以S3為零電壓開通。電流由D3向S3轉(zhuǎn)移,，此時S3工作于同步整流狀態(tài),，電流基本上由S3流過，電路處于零態(tài)續(xù)流狀態(tài),，電感電流線性減小,，直到t3時刻，減小到零,。此期間要保證S3實現(xiàn)ZVS,，則S1關(guān)斷和S3開通之間需要死區(qū)時間tdead1。
iL(t)=I1－
t（5）
tdead1>
（6）
4）模式B1[t3,，t4] 此時加在濾波電感Lf上的電壓為－Uo,，則其電流開始由零向負向增加，電路處于零態(tài)儲能狀態(tài),，S3中的電流也相應(yīng)由零正向增加,，到t4時刻S3關(guān)斷，結(jié)束該模式,。電感電流：
iL(t)=－
t（7）
5）模式C[t4,，t5] 與模式A1近似，S3關(guān)斷,，C3充電,，C1放電，同理S3為零電壓關(guān)斷,。
－I0=iL(t4)（8）
uc3(t)=
t（9）
uc1(t)=Ud－
t（10）
t5時刻,，C1的電壓降到零,，其體二極管D1自然導(dǎo)通，進入下一電路模式,。
6）模式C1[t5，t6] D1導(dǎo)通后,，開通S1,，則S1為零電壓開通。電流由D1向S1轉(zhuǎn)移,，S1工作于同步整流狀態(tài),，電路處于＋1態(tài)回饋模式，電感電流負向減小,，直到零,，之后輸入電壓正向輸出給電感儲能，回到初始模式A,，開始下一開關(guān)周期,。此期間電感電流：
iL(t)=－I0＋
（11）
同理，要保證S1零電壓開通,，則S3關(guān)斷和S1開通之間需要死區(qū)時間tdead2,，類似式(6)，有
tdead2>
（12）
多數(shù)情況下,，有I1>I0,，因而一般需tdead2>tdead1。
3 ZVS實現(xiàn)的條件及范圍
從以上的工作模式分析可知,，由于電容C1及C3的存在,，S1及S3容易實現(xiàn)ZVS關(guān)斷；要實現(xiàn)功率管的零電壓開通,，必須保證有足夠的能量在其開通之前抽去等效并聯(lián)電容上所儲存的電荷,，即
LfiL2>
CeffUd2＋
CeffUd2=CeffUd2（13）
在上面的分析中，下管總是容易實現(xiàn)ZVS開通,，因為其開通時刻總是在電感電流的瞬時最大值的時刻,，即使輕載時電感儲存的能量也可以保證其實現(xiàn)零電壓開通；對于上管來說,，則必須在零態(tài)續(xù)流模式中電感電流瞬時值由正變負,，達到一定負向值，才能保證在下管關(guān)斷時該電流可以使上管等效并聯(lián)電容放電,，從而實現(xiàn)其零電壓開通,。此種情況實際為在輸出半個周期中，電感電流與輸出電壓同向,，即uo>0,，iL>0的情況,；當(dāng)二者反向即iL<0時，則上下管的情況正好互換,，上管容易實現(xiàn)ZVS開通,，而下管實現(xiàn)ZVS的條件則同樣在零態(tài)續(xù)流模式中要保證電感電流瞬時值反向。對輸出電壓負半周,，上下管實現(xiàn)ZVS的情況與正半周相同,。
濾波電感的取值直接影響ZVS實現(xiàn)的范圍，也影響到電路的效率,?？紤]到輸出電壓半個周期內(nèi)電路可以等效為一Buck變換器，由此得濾波電感的最大值需滿足Lfmax≤
,。電感值大,，電感電流瞬時值變化范圍小，ZVS實現(xiàn)的范圍減小,，也就是說在較大負載情況下,，在半波電感電流峰值附近上管難以實現(xiàn)ZVS開通，從而仍然有較大的開通損耗,；電感取值減小,，其電流瞬時值脈動變大，則ZVS實現(xiàn)的范圍加大,，開通損耗可以減小,，但此時由于整個輸出周期內(nèi)電感上的瞬時電流的高頻脈動很大，因而磁芯的磁滯及渦流損耗增加,。所以,，電感的取值、ZVS實現(xiàn)的范圍及電路的效率之間需根據(jù)具體情況適當(dāng)折衷,。
在實際應(yīng)用中須做以下說明,。
1）如考慮逆變器負載功率因數(shù)較大的情況，則uo,，iL在整個周期大部分時間內(nèi)為同向,，即有tdead2>tdead1成立。為充分保證上管軟開關(guān)的實現(xiàn),，則可以考慮在下管驅(qū)動附加加速關(guān)斷措施,，如采用電阻二極管網(wǎng)絡(luò)，以適當(dāng)增加下管關(guān)斷到上管開通之間的死區(qū)時間,。
2）由上述可知,，由于要保證ZVS的實現(xiàn)，則濾波電感上必然存在較大的電流脈動,，因而電感的磁芯損耗比較大,，實際應(yīng)用須選用電阻率高,、高頻損耗小的磁芯材料。
3）同理,，由于ZVS實現(xiàn)的范圍與電感磁芯損耗的矛盾,，在負載范圍較大的情況下，很難折衷得到較好的效果,，因此該方式只適用于較小功率的應(yīng)用場合,，而應(yīng)用于較大功率場合時，則可以考慮用相同功率的模塊并聯(lián),。
4 實驗波形和結(jié)語
圖4是上下功率管在實現(xiàn)ZVS時的驅(qū)動電壓與相應(yīng)漏源電壓波形。由圖4可以看出,，上下管均很好地實現(xiàn)了零電壓開關(guān),。
(a)上管
(b)下管
圖4 逆變器功率管驅(qū)動（上曲線）與漏源電壓（下曲線）
圖5是空載輸出電壓與電感電流。圖6是阻性滿載輸出電壓及電感電流,?？蛰d時由于電感上的電流在半 個 周 期 內(nèi) 均 可 以 過 零 ， 因 而 此 時 功 率 管 可 以 較 好 地 實 現(xiàn) 軟 開 關(guān) ,； 而 滿 載 時 電 感 電 流 瞬 時 值 過 零 的 范 圍 明 顯 減 少 ,， 此 時 上?很 難 實 現(xiàn) 軟 開 通 。 要 進 一 步 確 定 電 感 取 值 與 負 載 ,、 ZVS實 現(xiàn) 的 范 圍 以 及 電 路 效 率 之 間 的 關(guān) 系 除 了 理 論 分 析 外 ,， 也 還 需 要 進 行 大 量 的 實 驗 。 圖 7為 逆 變 器 的 效 率 曲 線 ,， 阻 性 滿 載 的 輸 出 效 率 約 為 92％ ,。
圖5 空載輸出電壓與電感電流
圖6 阻性滿載輸出電壓及電感電流
圖7 逆變器的效率