0 引言

    為了確保功率開(kāi)關(guān)管安全可靠的工作，功率開(kāi)關(guān)管必須工作在安全工作區(qū),。但在硬開(kāi)關(guān)條件下,，功率開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中可能承受過(guò)壓、過(guò)流,。過(guò)大的di/dt和dv/dt的沖擊,，使開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，如不采取保護(hù)措施,，可能使功率開(kāi)關(guān)管超出安全工作區(qū)而損壞,。為此，在功率開(kāi)關(guān)管電路中,，通常設(shè)置吸收電路或采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù),，防止瞬時(shí)過(guò)壓、過(guò)流,，減小開(kāi)關(guān)損耗,，確保開(kāi)關(guān)管工作在安全工作區(qū)。

    逆變器常用的吸收電路有無(wú)源并聯(lián)RC電路,、并聯(lián)RCD吸收電路和有源吸收電路,。有源吸收電路在電路結(jié)構(gòu),、控制方法上都比較復(fù)雜，成本也比較高,，因此,，無(wú)源吸收電路比有源吸收電路在工程上有著更為廣泛的應(yīng)用。逆變器常用的無(wú)源吸收電路有A型,、B型,、C型三種^[1]。這三種電路均能夠抑制開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓,，其共同特點(diǎn)是吸收電容C_s上的電壓等于電源電壓,，電容電壓過(guò)沖部分的能量一部分回饋電源，另一部分消耗在電阻R_s上,。其中B型和C型吸收電路又稱(chēng)為RCD吸收電路^[2],，這兩種吸收電路原理相似，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,。雖然RCD吸收電路可以改善開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷特性，但降低了電路的變換效率,，并且在大功率場(chǎng)合,，需要大功率的電阻，而消耗掉大量能量,，甚至改變了設(shè)備的工作環(huán)境,。為了克服這些缺陷，近年來(lái)提出了無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)吸收電路（LPSSS）,。

    LPSSS電路是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一種,，它通過(guò)在主電路中附加電容、電感及二極管等無(wú)源器件,，在主開(kāi)關(guān)換流時(shí)建立零電壓,、零電流開(kāi)關(guān)條件。由于吸收電路上的儲(chǔ)能可全部傳遞給負(fù)載,，因此從理論上講,，吸收電路是近似無(wú)損的，這有利于提高變換器的效率,。無(wú)源無(wú)損吸收電路的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外的控制,，因此不會(huì)增加控制電路的復(fù)雜度，不影響變流器控制電路的設(shè)計(jì),。因此,，為了簡(jiǎn)化電路，提高變換效率，有必要研究LPSSS電路,，已有文獻(xiàn)[3-9]對(duì)LPSSS電路作了大量的研究,，但是這些LPSSS電路仍然具有一定的缺陷。文獻(xiàn)[7]提出的LPSSS電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，能有效降低損耗,，但是僅適用于開(kāi)關(guān)頻率較低的電路。文獻(xiàn)[3-7]提出的LPSSS電路,，通過(guò)變壓器或耦合電感將吸收電容中的能量反饋到電源端或負(fù)載,，既降低了開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中的損耗，也提高了能量的利用率,，但是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,，成本較高，并且變壓器和耦合電感的漏感問(wèn)題還有待于研究,。

    為此，筆者在Boost和半橋逆變器的LPSSS電路^[9-10]的基礎(chǔ)上,，提出了一種新型PWM逆變器LPSSS電路,，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于單相和三相全橋電路,，最終通過(guò)仿真驗(yàn)證了該吸收電路可靠性和適用性,。

1 逆變器損耗分析

    逆變器是否能正常工作，應(yīng)當(dāng)滿足下述條件：正常情況工作時(shí),，器件的開(kāi)關(guān)軌跡應(yīng)在器件的安全工作區(qū)以內(nèi),，并應(yīng)有足夠的裕量；在PWM方式下工作時(shí),，器件的總損耗應(yīng)小于其允許的耗散功率,，并應(yīng)有足夠的裕量。

    在IGBT關(guān)斷過(guò)程中,，因?yàn)橹骰芈冯s散電感L_p的存在,，會(huì)使IGBT的集電極出現(xiàn)電壓峰值U_cep。這一情況在短路關(guān)斷時(shí)表現(xiàn)得最為嚴(yán)重,，必須將U_cep限制在安全工作區(qū)之內(nèi),。

    圖1^[10]所示為IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓電流波形，以及功率開(kāi)關(guān)的功率損耗,。其中,，t_tail為尾部電流，i_tail為下降時(shí)間,，t_f和t_doff分別為關(guān)斷下降時(shí)間和關(guān)斷延遲時(shí)間,。每個(gè)脈沖IGBT的關(guān)斷損耗可近似為：

若減小關(guān)斷時(shí)的U_c上升速度，可減小E_I(soff)。關(guān)斷過(guò)程中Ic的下降速度主要取決于器件的總充電荷和少子壽命^[11],。

2 逆變器RCD吸收電路原理分析

    以圖2(a)為例,，可將RCD吸收電路的工作過(guò)程劃分為3個(gè)階段：(1)換流階段。從開(kāi)關(guān)接受關(guān)斷信號(hào)到完全截止,。此階段,，流過(guò)主回路的寄生電感L_p的母線電流經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管VT和吸收電路兩條支路分流。在此過(guò)程中出現(xiàn)第一個(gè)尖峰電壓ΔV₁,。ΔV₁與母線電流I_L,、吸收電路寄生電感L_s、關(guān)斷電流的di/dt有關(guān),。(2)諧振放能階段,。換流階段結(jié)束后，開(kāi)關(guān)完全截止,。主回路寄生電感L_p與吸收電容C_s諧振,，L_p中的能量通過(guò)C_s諧振，L_p中的能量通過(guò)C_s釋放,。在此過(guò)程中出現(xiàn)第二個(gè)ΔV₂,，此尖峰與母線電流I_L，主回路寄生電感L_p,、吸收電容C_s,、吸收電路寄生電感L_s有關(guān)。(3)吸收電容C_s放電階段,。諧振放能階段結(jié)束后,，電容C_s通過(guò)電阻R_s、電源和負(fù)載放電,。

    RCD吸收電路的特點(diǎn)是每次關(guān)斷之前把C₁中儲(chǔ)存的能量通過(guò)電阻R₂回饋到主回路中去,，使C₁的電壓保持在電源電壓上。同時(shí),，吸收電阻R₂能消除C₁放電造成的電流振蕩,，使IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)處于比較平穩(wěn)的狀態(tài)。這種電路的缺點(diǎn)在于當(dāng)功率進(jìn)一步增大時(shí),，回路寄生電感會(huì)變得很大,，導(dǎo)致不能有效地抑制瞬變電壓。同時(shí)吸收電阻R_s的存在會(huì)影響吸收電容C_s的放電時(shí)間,，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加,，電阻R_s的溫度升高會(huì)改變?cè)O(shè)備的工作環(huán)境。

    吸收電路參數(shù)計(jì)算^[12]：

式中,，I_L為母線電流,，L=L_p+L_s，f_s和t_r分別為開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)通電流上升時(shí)間。過(guò)電壓保護(hù)度Δu%一般設(shè)定為15%,。

3 新型逆變器LPSSS電路的原理分析和仿真

    圖3(a)所示為PWM逆變器LPSSS電路,。該拓?fù)潆娐穲D中每一組橋臂有兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)VT₁和VT₂組成和與開(kāi)關(guān)反并聯(lián)的二極管D₁、D₂,。吸收電容C_s1和C_s2分別并聯(lián)在VT₁和VT₂上,，減小了dv/dt，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)ZVS關(guān)斷,。

    圖3(b)所示為VT₁開(kāi)通或VT₂關(guān)斷時(shí)的電壓波形,。假設(shè)t₀時(shí)刻VT₁開(kāi)通，吸收電容C_S1通過(guò)二極管D_S1充電,，C_S2通過(guò)C_b1和D_S2放電,。因此，在此過(guò)程中吸收電容C_S1的電壓V_CS1上升,，C_S2的電壓V_Cs2下降,，V_Cb在C_S2放電結(jié)束時(shí)，電壓達(dá)到最大值,，隨后放電至V_dc,，并最終保持恒定。

3.1 LPSSS電路的工作原理

    為了簡(jiǎn)化分析,，以一組橋臂為例。該吸收電路每一個(gè)開(kāi)關(guān)VT₁和VT₂都分別并聯(lián)吸收電容C_s1,、D_s1和C_s2,、D_s2，能夠有效減小dv/dt,，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)ZVS關(guān)斷,。吸收電容中的能量?jī)?chǔ)存在電容C_b中，最終通過(guò)C_b和電感L_r1諧振將能量回饋到電源端,。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),，A相負(fù)荷電流假設(shè)恒定不變。如圖4所示,，吸收電路的工作模態(tài)如下：

    模態(tài)1,，t<t₀：VT₁處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)荷電流i_load保持恒定且i_VT1=i_load,，吸收電容C_s1上的電壓為零,。

    模態(tài)2，t₀<t<t₁：t₀時(shí)刻,，VT₁關(guān)斷而VT₂導(dǎo)通,，i_VT1迅速下降至零。由于負(fù)荷電流不能突變，此時(shí)二極管D_s1導(dǎo)通,，電容C_s1和C_b通過(guò)D_s1充電,，C_s2進(jìn)行放電。

    模態(tài)3,，t₁<t<t₂：t₁時(shí)刻,，電容C_s1充電至V_Cs1=V_dc，電容C_s2放電至0,。

    模態(tài)4,，t₂<t<t₃：寄生電感L_p(L_p1=L_p2)上的能量轉(zhuǎn)移到電容C_b1上。在此模態(tài)中,，V_Cb>U_d,，能量回饋電路開(kāi)始工作，將吸收的能量回饋到電源側(cè),。二極管D₂處于導(dǎo)通狀態(tài),，提供負(fù)荷電流i_load。

    模態(tài)5,，t₃<t<t₄：t₃時(shí)刻,，VT₂關(guān)斷而VT₁導(dǎo)通，i_Lp開(kāi)始增加,，由于負(fù)荷電流保持恒定,，所以D₂仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，且提供一部分負(fù)荷電流,。

    模態(tài)6,，t₄<t<t₅：i_Lp繼續(xù)增加，吸收電容C_s2通過(guò)L_p-C_s2-D_s2路徑充電,。C_s1開(kāi)始把儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到C_b1上,。能量最終通過(guò)諧振電感L_r1和二極管D_r1和D_r2反饋到直流電源V_dc。在此模態(tài)的末端,，C_s1放電至零,，C_s2充電至V_dc。

3.2 仿真分析

    合理的設(shè)計(jì)和選擇吸收電路的元件參數(shù)對(duì)于LPSSS電路的吸收效果是至關(guān)重要的,。dv/dt和di/dt取決于吸收電容C_s,，寄生電感L_p和負(fù)荷電流I_load的大小。當(dāng)寄生電感L_p和吸收電容C_s發(fā)生諧振時(shí),，如模態(tài)2所示,，dv/dt達(dá)到最大值，V_Cs1可表示為：

I_load為A相負(fù)荷電流,，f_sw為開(kāi)關(guān)頻率,。

    在實(shí)際工程應(yīng)用中,，由于寄生電感難以準(zhǔn)確地估算，所以需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)試來(lái)確定,。Saber仿真時(shí),，直流側(cè)輸入電壓U_d=330 V，開(kāi)關(guān)頻率為f_sw=10 kHz,。L_r=1 μF,，寄生電感L_p1=L_p2=200 nF，C_S1=C_S2=0.1 μH,，C_b=1 μH,。

    圖5所示為硬開(kāi)關(guān)電路時(shí)VT₁關(guān)斷時(shí)的電壓波形(b)和負(fù)荷電流波形(a)。開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí),，由于線路寄生電感L_p的存在,，使得開(kāi)關(guān)在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的尖峰電壓，并且隨著負(fù)荷電流的增加,，尖峰電壓會(huì)增大,，最大尖峰電壓U_cep能夠達(dá)到522 V，Δu=58.2%,超過(guò)了限定值15%,。此外,，在吸收電容放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由二極管的反向恢復(fù)特性引起的電壓振蕩。同時(shí),，關(guān)斷電壓上升速度過(guò)快,，也會(huì)產(chǎn)生極大的關(guān)斷損耗。

    圖6所示為PWM全橋逆變器加入無(wú)損吸收電路后VT1關(guān)斷時(shí)的電壓波形,。關(guān)斷電壓的峰值U_cep=349 V,，Δu=5.8%，有效地限制在了15%以內(nèi),。并且，吸收電路有效抑制了dv/dt,，減小了開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的電壓振蕩實(shí),，現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，同時(shí)也有效地降低了開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的損耗,。

    圖7所示為電容C_b的電壓和二極管D_s1電流波形,。電容C_b的電壓u_Cb維持在330 V左右，且圖中A部分說(shuō)明了電容電壓u_Cb和二極管電流i_Dr1在開(kāi)關(guān)VT₁關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓產(chǎn)生的波動(dòng),，B部分說(shuō)明了開(kāi)關(guān)VT₁導(dǎo)通時(shí)吸收電容C_S1放電引起的波動(dòng),。

5 總結(jié)

    本文在傳統(tǒng)的RCD吸收電路的基礎(chǔ)上，提出一種新型PWM逆變器LPSSS電路,，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該電路的可行性,。該吸收電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，既能降低開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，同時(shí)也能將吸收電容的能量轉(zhuǎn)移到電源,，提高了能量的轉(zhuǎn)移效率,，降低了電路對(duì)環(huán)境的要求。該LPSSS吸收電路適用于所有開(kāi)關(guān)電源的上下橋臂開(kāi)關(guān)管中,，同時(shí)還能應(yīng)用于單相或三相全橋電路,，且不會(huì)增加輸出電壓電流的諧波含量，具有良好的工程實(shí)用性,。

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