谐振直流环节逆变电路举例

    谐振直流环节逆变器的基本原理电路应用软开关技术解决了硬开关无法解决的问题，几乎将器件的开关损耗降低到零，提高了逆变器的效率和开关频率，避免了开关关断时的高du/dt、di/dt，因此无须使用缓冲电路，简化了主电路结构。但也存在着一些问题，如逆变器的开关器件承受的电压较高，约为直流电源电压的2~3倍，必须使用耐高压的功率开关器件；为实现零损耗，开关器件必须在零电压下通断，但这个零电压到来时刻与PWM控制策略所决定的开关时刻难以一致，有时间上的误差，导致输出谐波增加。因此，在这个基础上出现了各种电路拓扑结构，以下略举两例进行说明。    1．并联谐振直流环节逆变器    具有并联谐振电路的直流环节逆变器电路原理如图3-18a所示，等效电路见图3-18b。图中Lr为谐振电感，Cr1、Cr2为谐振电容，S1～S3为开关器件，S4及其反并联二极管代表逆变器桥臂上的开关器件，Ix为负载等效电流。图3-19示出了一个工作周期中电容电压uc1、uc2及电感电流iL的波形，对应于波形图中的A、B、C、D、E、F各阶段，相应的等效电路如图3-20a、b、c、d、e、f所示。    (1)A阶段    S1、S2、S3开通，S4关断。此时直流电源Ud经S1向逆变桥供电，Cr1充电至Ud，电感电流iL上升，储能增加。
    图3-18    并联谐振直流环节逆变器    a)电路原理图b）等效电路图
    图3-19    电容电压与电感电流的波形
    图3-20    并联谐振直流环节逆变器的工作原理    (2)B阶段    在逆变桥开关器件开通之前的某一时刻，关断S1。由于Cr1已充电至Ud，S1是在零电压下关断的，电路进入谐振，Cr1、Cr2经Lr放电，在uc1和uc2下降的同时，iL增加。    (3)C阶段    当Cr2放电至uc2=0时，与S4反并联的二极管导通，将uc2钳位至零，逆变桥功率开关S4实现零电压下开通。与此同时，当Cr1放电至零时，将S3在零电压下关断，目的是防止Cr1上电压uc1变负时直流母线电压的极性随之变反。此时的iL达到最大值，然后下降，能量向Cr1转移，iL再继续下降时，能量又向Lr转移。    (4)D阶段    当iL降至-iLmax时，uc1返回至零，可将S3在零电压下开通。此时逆变桥功率开关S4在二极管钳位的条件下实现零电压关断.此后iL从负值上升，能量又向Cr1、Cr2转移，uc1和uc2开始上升。    (5)E阶段    逆变桥功率开关关断后，当uc1上升至Ud时，在零电压下开通S1，直流电源恢复向逆变桥供电，iL继续上升。    (6)F阶段    当iL上升至零时，在零电流下关断S2，一个谐振周期结束，并为下一次的逆变桥换相作好准备。    通过上述分析可知，逆变桥功率开关的通断时刻可以完全按照PWM控制策略确定，只要在其动作之前，借助开关S1、S2、S3的先后动作，使DC环节预先谐振到零即可。该电路限制了过高的谐振电压峰值，逆变器开关器件所承受的最大电压值仅是直流电源电压Ud。    2．结实型谐振直流环节逆变器    如图3-21为结实型谐振直流环节逆变器。该电路与前面所述的谐振型逆变器的根本区别在于它不存在直流母线短路的过程，即使控制电路出现故障，也不会损坏逆变桥的所有功率开关。图中Lr为谐振电感，Cr1、Cr2为谐振电容，S1、S2为开关器件，C′1、C′2是用来延缓S1、S2关断后器件两端电压上升的速率，以减少关断损耗。电路的工作原理可通过图3-22来说明。
    图3-21    结实型谐振直流环节逆变器    (1)阶段A（图3-22a）    开关S1导通、S2关断、二极管VD1导通，直流电源Ud经S1向逆变桥INV供电，Lr的压降为零，iL达到正向稳定值IL0 >Ix，其中的（iL-Ix）部分流经VD1、S1，uc2= Ud。    (2)阶段B（图3-22b）    逆变桥开关动作之前的某一时刻，在VD1导通钳位电压为零的情况下关断S1，iL向C′1转移。C′1充电延缓S1两端电压上升时间，当C′1电压上升到Ud时，二极管VD2′导通，iL经VD2′和VD1续流向电源返回能量，并为S2导通创造零电压条件。iL线性下降至Ix时，VD1自然关断。
    图3-22    结实型谐振直流环节逆变器的工作原理    (3)阶段C（图3-22c）    Lr与Cr1、Cr2谐振，这使iL继续下降，uc2下降，iL下降至零并反向变为负值，在此过程中，S2在零电压下导通，VD2′自然关断。    (4)阶段D（图3-22d）    当uc2谐振至零时，iL达到反向稳定值，二极管VD2导通，将uc2钳位至零，逆变桥的功率开关可以实现在零电压下切换。此时Ix由VD2续流，iL流经S2、VD2。    (5)阶段E（图3-22e）    逆变桥开关动作完成后，S2在VD2导通、钳位电压为零时关断。C′2逐渐充电，当C′2电压升至U时，VD1′导通，iL经VD1′续流，并为S1导通创造零电压条件，iL线性上升。    (6)阶段F(图3-22f)    在iL从负值增长至零变为正向的过程中，S1在零电压下导通，VD1′关断。当iL继续上升至Ix时，VD2关断。Lr与Cr1、Cr2再次谐振，当uc2再上升至Ud时，VD1导通，uc2被钳位至Ud，iL又达正向稳定值，一个工作周期结束，并为下一次的逆变桥换相作好准备。