新型零电压零电流软开关逆变器的仿真研究

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电工研究
3.仿真结果
为验证本文提出的零电压零电流软开关
拓扑电路的有效性，根据图2搭建仿真模型，
对逆变器进行了仿真研究，仿真参数如表1所
示。
图4为软开关逆变器主开关S1的电流与两 端电压的仿真波形。从图5可以看到，流过主
开关S1的电流在其端电压开始增大之前，已 经变化到零，实现了零电压零电流关断，不
13)模式13(t12～t13)：二极管DA2导通之 后，LR1、LR2、CR1和CR2发生谐振，当电流iLR1减 小到零时，二极管DA1开始导通，电流iLR1开始 反向增大，模式13结束。
14)模式14(t13～t14)：二极管DA1导通的 时候，关断辅助开关SA1，此时SA1在零电压零 电流的条件下完成了关断。二极管DA1导通之 后，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐振，当电流iLR1再 一次减小到零时，二极管DA1自然关断，模式 14结束。
{ // 向开关发送数据字，选择扫描S1开 关
GpioDataRegs.GPBDAT.all=0xFBFF; //读取GPIOB总线数据字，判断开关状态 switch(GpioDataRegs.GPBDAT.all) { case 0xFBFE: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位1 case 0xFBFD: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位2 case 0xFBFB: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位3 case 0xFBF7: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位4 case 0xFBEF: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位5 case 0xFBDF: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位6 case 0xFBBF: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位7 case 0xFB7F: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位8 case 0xFAFF: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位9 case 0xF9FF: 执行对应操作…; break; // S1旋转开关位10 default: 执行对应操作…; break; } // 向开关发送数据字，选择扫描S2开关 GpioDataRegs.GPBDAT.all=0xF7FF; switch(GpioDataRegs.GPBDAT.all) { case 0xF7FE: 执行对应操作…; break; // S2旋转开关位1 case 0xF7FD: 执行对应操作…; break; // S2旋转开关位2 case 0xF7FB: 执行对应操作…; break; // S2旋转开关位3 case 0xF7F7: 执行对应操作…; break; // S2旋转开关位4 case 0xF7EF: 执行对应操作…; break; // S2旋转开关位5 case 0xF7DF: 执行对应操作…; break;
(上接第71页)所示。 不管是通过随机扫描还是定时中断扫
描，其开关扫描部分的软件编码都一样，随 机扫描可以根据实际应用情况将开关扫描程 序放在主函数或子函数中执行，定时中断扫 描可以放在定时器中断中执行。编写开关扫 描程序时需要注意的是，行线读数据，必须 在列线发送完开关扫描数据字之后执行。
图3 软件流程图
16)模式16(t15～t16)：二极管D2导通之 后，LR2、CR1和CR2开始谐振，当电流iLR2减小到 零时，模式16结束。
此时电路又返回到模式1，开始下一个开
关周期的工作。至此，一个完整的负载电流
为正的PWM周期结束，负载电流为负的工作模
式与此类似。负载电流为负的工作周期内，
辅助开关SA1不动作，SA2动作。
后其两端电压才开始增大，实现了零电压零 电流关断。
图4 软开关逆变器开关S1的电压电流仿真波形
图5 辅助开关SA1的电压电流仿真波形
4.结论 本文提出了一种新型的零电压零电流 软开关逆变器，能使主开关在零电压和零电 流的条件下完成开通，并在零电压和零电流 的条件下完成关断，解决了主开关的容性开 通损耗问题和关断时的拖尾电流问题，另外
经过以上分析，用C语言对开关扫描函数 的编码如下：
void Gpio_select (void) // 对各I/ O引脚配置初始化
{ EALLOW; // 允许访问受保护的空间 // 配置将GPIOB配置为数字I/O引脚
GpioMuxRegs.GPBMUX.all=0x0000; // 置0为数字I/O模式
电流开始从零增大，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐 振，当电流iLR1减小到零时，二极管DA1开始导 通，电流iLR1开始反向增大，模式6结束。
7)模式7(t6～t7)：二极管DA1导通的时 候，关断辅助开关SA1，此时SA1在零电压零 电流的条件下完成了关断。二极管DA1导通之 后，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐振。当电流iLR2减 小到零时，二极管DA2自然关断，模式7结束。
数值 400 1000 50 10 2.4
9
图5所示为软开关逆变器辅助谐振电路中
辅助开关SA1的电流与两端电压的仿真波形。 可以看出，在开通过程中，电压先降为零，
之后电流才上升，且电流在谐振电感的作用

下缓慢增加，实现了零电流导通。在关断过
程中，SA1中的电流先由正变负，换流到SA1的 反并联二极管中，SA1中已没有电流流过，而
产生关断损耗。在开通过程中，S1两端的电 压在电流开始流过S1之前，已经降到零，同 样实现了零电压零电流开通，开通损耗也为
零。图中电流为负值的时间内，电流从S1的 反并联二极管内流过。
表1 仿真参数
参数/单位
直流电压Ud/V 输出功率P0/W 输出频率f0/Hz 开关频率fs/kHz 谐振电感L1、L2/uH 谐振电容C1、C2/nF
10)模式10(t9～t10)：在t9时刻，再一次 给辅助开关SA1触发信号，使SA1导通，在谐振 电感LR1的作用下，降低了流过辅助开关SA1的 电流的上升率，所以SA1实现了零电流开通， SA1导通之后，LR1、CR1和CR2发生谐振，电流iLR1 逐渐增大，流过S1的电流逐渐减小，当流过S1 的电流减小到零时，模式10结束。
8)模式8(t7～t8)：因为二极管DA2的反向 阻断作用，电流iLR2不能反向增大，此时LR1、 CR1和CR2继续谐振，当电流iLR1减小到零时， 二极管DA1自然关断，因为二极管DA1的反向阻 断作用，电流iLR1不能反向增大，谐振过程结 束，模式8结束。
9)模式9(t8～t9)：负载电流流过主开 关S1，此时电路工作在稳态，辅助电路不工 作。
图1 三相谐振极逆变器主电路
图2 逆变器的单相等效电路
2.2 基本动作原理 为简化分析，现在做以下假设：1)器件
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均为理想工作状态；2)负载电感远大于谐振 电感，逆变桥开关状态过渡瞬间的负载电流 可以认为是恒流源i0。因为三相谐振电路是 独立可控的，取电路的一相进行分析，其单 相等效电路如图2所示，箭头指向为物理量的 参考正向，作为初始条件，设电容CR1的电压 uCR1等于 -E，电容CR2的电压uCR2等于0.5E，CR1 和CR2比Cd1、Cd2的电容值小很多，负荷电流i0 以图2所示方向流过。特征工作波形如图3所 示；各工作模式的等效电路如图4所示。
电工研究
新型零电压零电流软开关逆变器的仿真研究
辽宁石油化工大学信息与控制工程学院 张书杰 王 强
【摘要】提出一种新型的零电压零电流谐振极型软开关逆变器，可以在主功率器件开通和关断时，同时实现零电压和零电流，因此对于内部电容不能忽略的器件，可减小 容性开通损耗，当IGBT作为主功率器件时，也可减小拖尾电流引起的损耗。主功率器件真正做到了无损耗换相。此外，续流二极管的反向恢复损耗被降低到最小，辅助 开关也实现了零电流开关。对其工作原理进行分析，给出不同工作模式下的等效电路图。通过仿真结果验证该软开关逆变器的有效性。 【关键词】软开关；反向恢复；零电流关断；零电压开通；谐振极
// 配置GPIOB0~GPIOB9为输入，GPIOB10~ GPIOB15为输出
GpioMuxRegs.GPBDIR.all=0xFC00; // 置0为输入，置1为输出
// 配置所有端口无量化 GpioMuxRegs.GPBQUAL.all=0x0000; EDIS; // 禁止访问受保护的空间 } void ScanKey() // 旋转开关扫描函数 程序
15)模式15(t14～t15)：因为二极管DA1的 反向阻断作用，电流iLR1不能再次反向增大， 此时负载电流通过CR1所在的支路续流，LR2和 CR2继续谐振，CR2的电压uCR2开始增大，CR1被反 向充电，其电压uCR1线性减小。当CR1和CR2的电 压uCR1与uCR2之和等于-0.5E时，二极管D2开始 导通，模式15结束。
11)模式11(t10～t11)：LR1、CR1和CR2继续 谐振，二极管D1导通，当电流流过二极管D1的 时候，关断主开关S1，此时S1是在零电压零电 流的条件下完成了关断。当流过二极管D1的 电流减小到零时，模式11结束。
12)模式12(t11～t12)：负载电流i0通过 LR1、CR1和CR2所在的支路续流，CR2放电，CR2的 电压uCR2线性减小。LR1和CR1继续谐振，当CR2的 电压uCR2线性减小到零时，二极管DA2导通，模 式12结束。
图3 电路的特征工作波形
工作模式： 1)模式1(t0～t1)：初始状态，负载电流 经过S2的反并联二极管D2续流，此时S2处于 开通状态，S1处于关断状态，辅助电路不工 作。 2)模式2(t1～t2)：在t1时刻，主开关S2 关断，同时给辅助开关SA1触发信号，使其 导通，回路状态如图4(b)所示。D2中流过电 流，S2在零电压和零电流的条件下完成了关 断。在谐振电感LR1的作用下，降低了流过辅 助开关SA1的电流的上升率，SA1实现了零电流 开通。SA1开通后，辅助电路开始工作，LR1、 CR1和CR2发生谐振，谐振电流iLR1逐渐增大，同 时流过D2的电流以相同的变化率逐渐减小， 当减小到零时，模式2结束。 3)模式3(t2～t3)：负载电流i0通过LR1、 CR1和CR2所在的支路续流，CR2放电，CR2的电压 uCR2线性减小。LR1和CR1继续谐振。当CR2的电压 uCR2线性减小到零时，二极管DA2导通，模式3 结束。 4)模式4(t3～t4)：二极管DA2导通之后， LR1、LR2、CR1和CR2发生谐振，在谐振过程中， 当CR1和CR2的电压uCR1与uCR2之和等于0.5E时， 二极管D1开始导通，模式4结束。 5)模式5(t4～t5)：二极管D1导通的时 候，开通主开关S1，此时S1是在零电压零电流 的条件下完成了开通。当流过二极管D1的电 流减小到零时，模式5结束。 6)模式6(t5～t6)：在t5时刻，流过S1的
1.引言 现代电力电子装置越来越趋向于小型化 和轻量化，开关频率要求越来越高。开关频 率很高时，给电路造成严重的噪声污染和开 关损耗，且产生严重的电磁干扰。软开关技 术的出现解决了这一系列问题。软开关技术 指通过辅助谐振电路使开关管开通前电压先 降为零，关断前电流先降为零，实现零电压 开通，零电流关断；或者通过辅助谐振电路 降低开关管开通瞬间电流的上升率和开关管 关断瞬间电压的上升率，实现零电流开通和 零电压关断，从而降低开关功率损耗，减少 噪声污染和电磁干扰[1]。 本文提出一种新型的零电压零电流软开 关逆变器的拓扑电路。文中对其工作原理进 行了分析，给出了不同工作模式下的等效电 路图，通过仿真验证了：1)主开关可以在零 电压和零电流的条件下开通，在零电压和零 电流的条件下关断，克服了开通时的容性开 通损耗问题和关断时的拖尾电流问题。因此 主开关使用各种类型的开关器件时，如电力 MOSFET、IGBT等，都能有效地减小了开关损 耗。2)辅助开关实现了零电流开关，开关损 耗也被减小。 2.新回路的拓扑结构及基本动作原理 2.1 回路的拓扑结构 新回路的三相主电路如图1所示，单相等 效电路如图2所示，E为直流电源，电解电容 Cd1、Cd2把电源电压E二等分，给直流母线滤 波，同时限制谐振电容和开关管的电压。为 保证Cd1、Cd2承受电压的均衡，Cd1、Cd2分别并 联均压电阻R1和R2。为减小均压电阻的功率损 耗，实际中选取大阻值小功率的电阻。LR1和 LR2为谐振电感，CR1和CR2为谐振电容，SA1和SA2 是辅助开关，当主开关S1和S2需要切换时，给 辅助开关触发信号，辅助电路开始工作，利 用谐振电感和谐振电容之间的谐振使主开关 在反并联二极管流过电流的时候完成开通或 关断，即可实现主开关在零电压零电流的情 况下完成开关动作。