串并联谐振软开关逆变器辅助电路的优化

引言
     将软开关技术应用在电力电子技术中，对于电机驱动 来说，不仅改善逆变器的效率和性能，更能提高功率密度， 降低电磁干扰。近些年，研究人员提出了多种谐振直流环节 逆变器的拓扑结构。但这些拓扑结构仍存在很多不足，文献 提出的拓扑结构，在直流母线之间串联了2个大电容，形成 电源中点，使逆变器在高开关频率工作时中性点电位变化， 不利于实现软开关； 文献[3]提出的拓扑结构，解决了中性 点电位的平衡问题，但是辅助电路中的开关器件不能实现软 关断，增加了开关损耗；文献[4-5]提出的拓扑结构，辅助 谐振电路里有3个辅助开关，控制相对复杂，而且硬件成本 高；文献[6]提出的拓扑结构，直流母线间的电压恢复到直 流电源电压值的两倍，使开关器件和二极管承受更高的电压 应力。本文提出了一种串并联谐振软开关逆变器辅助电路结 构的基础上，对其进行改进，减少了开关器件，节省了损 耗。本文提出的新型并联谐振直流环节逆变器，具有以下特 点: (1) 只有2个辅助开关器件，使其小型化、轻量化、节约

图1 串并联谐振软开关三相逆变器主电路  

图2  改进后的串并联谐振软开关三相逆变器主电路
化和控制简单化。(2) 电感不用被预充电流。(3) 辅助开关都
可以实现零电流或零电压开关。(4)没有串联分压电容，无 中性点电位的变化问题。(5)不使用桥臂短路的控制方法完 成零电压切换。在直流母线零电压凹槽内，主开关实现零电 压开关，安全可靠。

1 电路结构及工作原理
已提出的电路结构如图1所示。改进后的电路结构如图2所示。逆变器电路逆变器的等效电路如图3所示。
1.1   电路结构 在提出电路拓扑结构之前先作如下假设。 (1)电路中的所有元器件均是理想的。 (2)谐振电感远小于负载电感。带有三相感性负载的逆变器从直流母线侧来看可等效为一恒定的I0电流源。 (3)直流电源电压为一理想电压源E。 (4)每个桥臂开关管两端并联的电容Cs可等效为一个直接连在直流母线上的电容Cr=3Cs。D1-D6完全相同，等效为

图3 逆变器的等效电路  

图4 电路的特征工作波形
1.2  工作原理
本电路在一个开关周期内可以分为6个工作模式。电路的特征波形如图4所示，各个工作模式如
图5所示。

图5  各工作模式的等效电路
模式1(0-t1) 初始状态，S1导通，电源通过S1向负载供 电，同时通过VD3和S1，在Lr内有稳定的电流-Ia流过。电路工 作在稳态。
模式2(t1-t2) 在t1时刻，关断S1，由于Cr上的电压为E，S1 为零电压关断。Lr和Cr谐振，Cr放电，Lr放电，Cr不仅放电 而且给负载提供电流。电压不断减小，直到t2时刻Cr电压为 零。Lr电流减小到-Ib，本模式结束。电感Lr和电容Cr的表达式

模式3(t2- t3) 在t2时刻，直流母线的电压为零，VD2和VDs零电压导通。负载电流通过VDs续流。通过VD2和VD3，向电源回馈能量。 L r 电流继续减小， 直到t 3 时刻,L r 电流为零，本模式结束。电感Lr的表达式

模式4 (t 3 - t 4 ) t 3 时刻， 给S 2 驱动信号，由于Lr的作用，Lr为零电流开通。 Lr和Cr1谐振，Lr和Cr1被充电，开通S2给 Lr足够的能量
使Cr的电压恢复到E，在t4 时刻，当Cr1上电压达到Ua后关断S2。Lr 电流为Ic，本模式结束。

模式5(t4-t5) 在t4时刻，关断S2后Cr的电压仍为零，S2为 零电压关断。在直流母线电压 为零的这段时间内，逆变器上 的主开关可以完成一次零电压 的开通。Lr、Cr 、Cr1谐振，被 充电， Cr  、 Cr1电压和增加到 E ， L r 的 电 流 最 大 ， 然 后 L r 的 电流开始减小，Cr电压继续增 加，Cr1电压继续增加，当t5时 刻 ， Cr 1 电 压 变 为 U b ， C r 电 压 变为E，直流母线的电压变为 E，Lr的电流为Id，VD1导通，
Cr电压不再变化。本模式结束。

模式6(t5-t6) t5时刻，Lr、Cr1继续谐振，Lr电流减为0，然后反向增大，Cr1电压增大到最大，本模式结束。模式7(t6-t7) 在t6时刻，导通S1，由于直流母线的电压 变为E，S1零电压导通，Cr1电压减为零，Lr电流增加到反向 最大，同时VD3导通，Lr电流不再变化。t7时刻，Lr电流变 为-Ia，本模式结束。

2 仿真结果

图6  Ucr1、iLr、Cr1的电压及电流

图7 开关S2的电压    

图8  开关S1的电压

电源电压。因此每一个周期内，在直流母线电压降为零的时刻，开通逆变器桥臂上主开关都可以实现零电压开关。直流 母线零电压凹槽形成，直流母线的电压降为零，为逆变器的 主开关实现提供条件，验证了逆变器工作原理的正确性。直 流母线、Lr、Cr1和S1的电压电流波形如图6、图7、图8所示。
3 结论
与已提出的拓扑结构相比，存在以下优点：(1)辅助电 路开关器件少，减少一个开关器件和续流管，损耗相应减 少。(2)逆变器桥臂上的所有开关器件实现零电压开通与关 断周期工作模式减少，变得简单。(3)直流母线零电压凹槽 形成的时间不受负载电流的影响。(4)实现续流管零电流关 断。针对不同的控制策略、不同的谐振参数对负载输出波形 的影响程度，将做进一步的研究。
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