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(多图) 高频脉宽调制技术在逆变器中的应用

21ic 南京航空航天大学 彭小兵 胡兴柳 穆新华?? 2011年05月20日 ?? 收藏0

  1? 引言

  由于对逆变器高频化的追求,硬开关所固有的缺陷变得不可容忍:开通和关断损耗大;容性开通问题;二极管反向恢复问题;感性关断问题;硬开关电路的EMI问题。因此,有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开关带来的各种问题。软开关技术是克服以上缺陷的有效办法。最理想的软开通过程是:电压先下降到零后,电流再缓慢上升到通态值,开通损耗近似为零。因功率管开通前电压已下降到零,其结电容上的电压即为零,故解决了容性开通问题,同时也意味着二极管已经截止,其反向恢复过程结束,因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为:电流先下降到零,电压再缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零,即线路电感中电流亦为零,所以感性关断问题得以解决。

  基于此,本文探讨性地提出了一种用于全桥逆变器的,HPWM控制方式的ZVS软开关技术,如图1所示。其出发点是在尽量不改变硬开关拓扑结构,即尽量不增加或少增加辅助元器件的前提下,有效利用现有电路元器件及功率管的寄生参数,为逆变桥主功率管创造ZVS软开关条件,最大限度地实现ZVS,从而达到减少损耗,降低EMI,提高可靠性的目的。

HPWM控制方式

图1? HPWM控制方式

  2? HPWM控制方式下实现ZVS的工作原理

  考虑到MOS管输出结电容值的离散性及非线性,每只MOS管并联一小电容,吸收其结电容在内等效为C1-C4,且C1=C2=C3=C4=Ceff;D1-D4为MOS管的体二极管,则HPWM软开关方式在整个输出电压的一个周期内共有12种开关状态。基于正负半周两个桥臂工作的对称性,以输出电压正半周为例,其等效电路模式如图2所示。图3给出了输出电压正半周的一个开关周期内的电路的主要波形,此时S4常通,S2关断。由于载波频率远大于输出电压基波频率,在一个开关周期Ts内近似认为输出电压Uo保持不变,电感电流的相邻开关周期的瞬时极值不变。

 HPWM软开关方式工作状态及电路模式

点击看原图

(a)模式A??????????????????? (b)模式A1????????????????????????????? (c)模式B

 HPWM软开关方式工作状态及电路模式

点击看原图

  (d)模式???????????????? B1(e)模式C????????????????????????????? (f)模式C1

图2? HPWM软开关方式工作状态及电路模式

ZVS方式主要波形

图3? ZVS方式主要波形

  1)模式A[t0,t1]??? S1和S4导通,电路为+1态输出模式,滤波电感电流线性增加,直到t1时刻S1关断为止。电感电流:

iL(t)=公式(1)

  2)模式A1[t1,t2]??? 在t1时刻,S1关断,电感电流从S1中转移到C1和C3支路,给C1充电,同时C3放电。由于C1、C3的存在,S1为零电压关断。在此很短的时间内,可以认为电感电流近似不变,为一恒流源,则C1两端电压线性上升,C3两端电压线性下降。t2时刻,C3电压下降到零,S3的体二极管D3自然导通,结束电路模式A1。

I1=iL(t1)(2)

uc1(t)=公式t2(3)

uc3(t)=Ud-公式t(4)

  3)模式B[t2,t3]??? D3导通后,开通S3,所以S3为零电压开通。电流由D3向S3转移,此时S3工作于同步整流状态,电流基本上由S3流过,电路处于零态续流状态,电感电流线性减小,直到t3时刻,减小到零。此期间要保证S3实现ZVS,则S1关断和S3开通之间需要死区时间tdead1。

iL(t)=I1-公式t(5)

tdead1>公式(6)

  4)模式B1[t3,t4]??? 此时加在滤波电感Lf上的电压为-Uo,则其电流开始由零向负向增加,电路处于零态储能状态,S3中的电流也相应由零正向增加,到t4时刻S3关断,结束该模式。电感电流:

iL(t)=-公式t(7)

  5)模式C[t4,t5]??? 与模式A1近似,S3关断,C3充电,C1放电,同理S3为零电压关断。

-I0=iL(t4)(8)

uc3(t)=公式t(9)

uc1(t)=Ud-公式t(10)

  t5时刻,C1的电压降到零,其体二极管D1自然导通,进入下一电路模式。

  6)模式C1[t5,t6]??? D1导通后,开通S1,则S1为零电压开通。电流由D1向S1转移,S1工作于同步整流状态,电路处于+1态回馈模式,电感电流负向减小,直到零,之后输入电压正向输出给电感储能,回到初始模式A,开始下一开关周期。此期间电感电流:

iL(t)=-I0+公式(11)

  同理,要保证S1零电压开通,则S3关断和S1开通之间需要死区时间tdead2,类似式(6),有

tdead2>公式(12)

  多数情况下,有I1>I0,因而一般需tdead2>tdead1。


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脉宽调制? 逆变器? EMI? ZVS软开关?

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