PWM变频电源的软开关技术

    PWM（脉宽调制）功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器，减小了装置的体积重量，提高了电源的功率密度与整机效率。然而，在硬开关状态下工作的PWM变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成比例地上升，使电路效率降低，处理功率的能力减小；另一方面，会产生严重的电磁干扰(EMI)。    由于功率开关管并不是理想开关，开通和关断都需要一定时间，在这段时间里，在开关管两端电压（或电流）减小的同时，通过的电流（或电压）上升，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。    所谓软开关通常是指零电压开关ZVS (zero voltage switching)和零电流开关ZCS（zero currentswitching)或近似零电压开关与零电流开关。    硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程；而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时器件关断；当电压降到零时，器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，使器件的开关损耗理论上为零。    软开关技术的应用，在理论上使开关管的开关损耗为零，从而可以使开关频率进一步提高，使电力电子变换器具有更高的效率，更高的功率密度，体积、重量大大减小，具有更高的可靠性；并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污染( EMI)和环境污染（噪声等）。    辅助二极管变换极逆变器( ADRPI)的拓扑结构如图4-10所示。若定义电路中Q1导通、Q2截止为“1”状态，而Q2导通、Q1截止为“0”状态，则这种变换桥臂的基本工作原理是：    (1)设电路的初始状态为“1”状态．即Q1导通、Q2截止，极电压Uc2由于钳位二极管VDc的作用被钳位在电源电压Ui，电感电流iL，为稳定正值，电感电压UL等于零，这时的电感L作为能量储存元件而存在。这个状态的持续时间由系统的PWM调制策略所决定。
    图4-10    ADRPI一条变换臂的拓扑结构图    (2)当电路需从“1”状态变为“0”状态时，在缓冲电容Cc1的作用下关断Q1，电感电流iL通过二极管VD2续流，电感L与电容C2谐振。当iL由正值变为负值时，Q2在零电压条件下自然导通。当Uc2谐振到零时，二极管VDfw导通，Uc2被钳位在零值，iL保持为稳定负值，UL为零，电路保持在“0”状态。    (3)当PWM调制要求电路从“0”状态变回到“1”状态时，在缓冲电容Cc2的作用下关断Q2，iL通过二极管VD1续流，L与电容C1谐振。当iL由负值变为正值时，Q1在零电压条件下自然导通。当Uc2谐振到Ui时，二极管VDc导通，Uc2被钳位到电源电压Ui，iL保持为稳定正值，UL为零，电路回到“1”状态。    从以上ADRPI变换桥臂的工作过程可看出，开关次序为Q1、VD2、Q2、VD1，给所有开关器件提供了最优越的开关环境。在Q1、Q2的导通过程中，通过带有零电压检测的基极驱动电路检测横跨开关器件两端的电压，以保证当二极管VD1或VD2停止导电后，Q1或Q2迅速自然导通，这样就基本上消除了器件的导通损耗。而且在这个过程中并不需要使用快速二极管，二极管VD1、VD2在通过其上的电流为零后自然关断。Q1、Q2的关断过程是在缓冲电容Cc1、Cc2的作用下完成的。在Q1、Q2关断的瞬间，其上电压为零，而后，其上的du/dt将受到Cc1、Cc2的限制，这样就完全排除了在关断过程中大电流和高电压同时存在的可能，从而极大地减少了关断损耗。二极管VDfW和VDc也具有非常良好的工作环境，其上的du/dt被谐振电容所限制，而关断时的di/dt又被电感L所限制。    在这种零电压开关模式下工作的大功率开关管，只有在横跨其两端电压为零时才能导通，这意味着同一桥臂的另一开关此时承受着全部电压，即已经关断。因此这种技术从根本上排除了由于直通而造成电源短路的可能，使逆变桥臂的工作具有很高的可靠性。图4-10所示拓扑结构又称为结实型变换桥臂( ruggedinvertleg)。    使用一条结实型桥臂，可使稳定的直流电源变为可调节的直流电源，输出电压随着占空比的变化从零电压变化到电源电压，并且允许功率反向流动，这种电源可用于两象限的直流传动控制。使用两条结实型桥臂，可构成一单相交流电源，这种逆变器理论上对负载功率因数没有任何限制，因此可用于不间断电源或单相交流传动控制系统。    在主电路中使用三条结实型桥臂构成三相交流逆变器，这种逆变器可对具有任意功率因数的三相不平衡负载供电，可用于三相交流传动控制系统。