DC-AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

1、銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）學(xué) 號(hào) 1109141042 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 課 題 DC/AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 田 焱 烽 院 部 電 氣 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 11 電 氣 工 程 及 其 自 動(dòng) 化 指導(dǎo)教師 謝東 二 一 五 年 六 月目 錄第一章 緒 論11.1軟開(kāi)關(guān)技術(shù)11.2軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程21.3本論文主要研究工作2第二章 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)32.1無(wú)損緩沖電路的設(shè)計(jì)32.2無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)32.3 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的構(gòu)成82.4 零電流開(kāi)關(guān)82.4.1緩沖電感的放置82.4.2 緩沖電感的能量回復(fù)82.5零電壓開(kāi)關(guān)92.5.1緩沖電容的放置9

2、2.5.2 緩沖電容的能量回復(fù)102.6 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)102.7本章小結(jié)11第三章 DC/AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)123.1 基于DC/AC變換器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)步驟123.1.1 DC/AC開(kāi)關(guān)管的零電流電感ZCL123.1.2 DC/AC開(kāi)關(guān)管的零電壓電容ZVC133.1.3 逆變器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)綜合設(shè)計(jì)143.2 DC/AC軟開(kāi)關(guān)逆變器的工作過(guò)程153.3 逆變器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)163.4 Half Bridge逆變器軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)183.5本章小結(jié)19第四章 結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致謝22 插圖清單圖1-1 開(kāi)關(guān)管的硬開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程1圖1-2 軟

3、開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程2圖2-1 型半橋逆變器緩沖電路4圖2-2 型電路的三種工作模式 5圖2-3 型逆變器緩沖電路6圖2-4 型電路的三種工作方式7圖2-5 boost變換器中緩沖電感的位置8圖2-6電型VSD電路9圖2-7緩沖電容在電路中的放置位置10圖2-8 Boost變換器中Cr能量恢復(fù)電路10圖3-1 Half Bridge和Full Bridge電路的基本軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12圖3-2全橋電路的ZCL回路13圖3-3 Full Bridge電路的零電流電感ZCL共用回路13圖3-4每個(gè)開(kāi)關(guān)管零電壓電容支路的位置14圖3-5逆變器的基本軟開(kāi)關(guān)單元15圖3-6 Half Bridg

4、e逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)15圖3-7 Half Bridge逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)16圖3-8 Half Bridge逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路18圖3-9 IR2104內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖19DC/AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)摘 要 由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器逐漸淡出了我們的視線，取而代之的是半導(dǎo)體變流技術(shù)，用該技術(shù)制成的DC/AC變換裝置稱為靜止變流器。由于傳統(tǒng)的變換裝置體積較大并且質(zhì)量比較重，已經(jīng)滿足不了其在各種場(chǎng)合下的需要，人們開(kāi)始考慮如何來(lái)有效減小變換裝置的重量和大小變器并提高其你變效率。一種有效的方案就是提高其電子器件的動(dòng)作頻率。但是提高器件的開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì)給系統(tǒng)帶

5、諸如電磁干擾、開(kāi)關(guān)損耗等不利影響。要想減小開(kāi)關(guān)管的電磁干擾和開(kāi)關(guān)損耗，可以通過(guò)限制過(guò)高的電流上升率和電壓上升率來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本文簡(jiǎn)述了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀以及其發(fā)展歷程。從基本概念著手，來(lái)論述軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是如何形成的，分析無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)線路和有源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)線路的工作過(guò)程。并將該技術(shù)用于DC/AC變換器。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都充分說(shuō)明了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是可以減少逆變器開(kāi)關(guān)損耗以及電磁干擾的，從而提高了逆變器的逆變效率。關(guān)鍵詞：軟關(guān) DC/AC變器 無(wú)源無(wú)損 電磁干擾Passive lossless soft switching DC/AC converter de

6、signAbstractDue to the progress of science and technology, the traditional DC / AC converter gradually fade out of our sight, instead is semiconductor variable flow technology, made with the technology of DC / AC converter called static inverter.Due to the traditional transform device volume larger

7、and quality is heavier, has been unable to meet the in various occasions need, people began to consider how to effectively reduce the weight and size of the converter transformer and improve your efficiency. An effective scheme is to improve the operating frequency of its electronic device.

8、0;However, the switching frequency of the device can also give the system such as electromagnetic interference, switch loss etc.In order to reduce the electromagnetic interference and switch loss of the switch tube, the high current can be achieved by limiting the high current rise rate and the volt

9、age rise rate.This paper briefly describes the status quo of soft switching technology and its development course. From the basic concept, it is discussed how soft switching topology is formed, and the working process of passive lossless soft switching line and active lossless soft switching li

10、ne is analyzed. And the technology for DC/AC converter. The results of theoretical analysis and simulation experiment indicate that the soft switching technology can reduce the inverter switch loss and electromagnetic interference, so as to improve inverter efficiency of inverterKeywords:

11、soft shut DC/AC converter passive lossless electromagnetic interference第一章 緒 論1.1軟開(kāi)關(guān)技術(shù)如圖1-1（a）所示，硬開(kāi)關(guān)條件下，關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，電流波形與電壓會(huì)在時(shí)間軸上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交叉區(qū)域，這個(gè)交叉區(qū)域就是我們常說(shuō)的關(guān)斷損耗。同理，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生了與此類似的一個(gè)交叉區(qū)域，這個(gè)交叉區(qū)域就是我們常說(shuō)的開(kāi)通損耗。開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗合稱為開(kāi)關(guān)損耗。圖1-1 開(kāi)關(guān)管的硬開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程由于解決硬開(kāi)關(guān)技術(shù)存在著開(kāi)關(guān)噪聲大、有明顯的過(guò)沖和振蕩會(huì)影響其他電子器件的正常運(yùn)行以及開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨著工作頻率的升高而增大等缺點(diǎn)。所以有必要

12、改進(jìn)傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)管開(kāi)管關(guān)技術(shù)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)就是在這種情況下提出的。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)思想主要有以下兩種：（1）、零電壓開(kāi)關(guān)ZVS(zero voltage switch)；這種開(kāi)關(guān)方式是指在開(kāi)通前開(kāi)關(guān)管上的電壓為0，這樣就可以避免開(kāi)通損耗和電磁噪聲的產(chǎn)生了。（2）、零電流關(guān)斷ZCS(zero voltage switch)。零電流關(guān)斷，即開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前流經(jīng)開(kāi)關(guān)管得電流為0。軟開(kāi)關(guān)電路開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程的電流和電壓波形如圖1-2所示。 圖1-2 軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程1.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程緩沖電路的作用是通過(guò)在電路中嵌入電容和電感來(lái)延緩開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程。加入電感的作用是抑制過(guò)快的di/dt，加入電容的

13、作用是抑制過(guò)快 早期的緩沖電路主要使用來(lái)解決開(kāi)關(guān)過(guò)程中由于電流電壓應(yīng)力的減小而導(dǎo)致的電路中的儲(chǔ)能元件中存儲(chǔ)的能量過(guò)大以至于不能在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期被消耗的問(wèn)題。隨著電力電子技術(shù)的房展，諧振變換技術(shù)出現(xiàn)了，這種技術(shù)是通過(guò)增大儲(chǔ)能元件中存儲(chǔ)的電磁能量，從而使得電路器件產(chǎn)生諧振。對(duì)諧振變換技術(shù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的控制，使得諧振在一個(gè)工作周期內(nèi)進(jìn)行，這就是準(zhǔn)諧振的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。1.3本論文主要研究工作在查閱了有關(guān)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)方面的書(shū)籍與資料后，進(jìn)行了下面的研究。本論文首先介紹了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生，其次講解了無(wú)緣無(wú)損開(kāi)關(guān)的組成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹其制定實(shí)驗(yàn)步驟，明確需要的參數(shù)。最終搭建半橋逆變器平臺(tái)，并將無(wú)緣無(wú)損軟開(kāi)關(guān)

14、附加到其中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，證明了無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)確實(shí)能夠很好的解決硬開(kāi)關(guān)條件下所產(chǎn)生的負(fù)面影響。第二章 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面章節(jié)的介紹，我們對(duì)軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)有了初步的認(rèn)識(shí)，我們需要在電路中加入電容和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通。但是具體的電容電感是如何選擇的以及如何放置，我們會(huì)在接下來(lái)的章節(jié)中一一探究。2.1無(wú)損緩沖電路的設(shè)計(jì)緩沖電路一般來(lái)說(shuō)是用于保護(hù)電路的線路。在軟開(kāi)關(guān)電路中，緩沖電路的作用主要有兩個(gè)：一、防止過(guò)電壓的產(chǎn)生并降低開(kāi)關(guān)損耗；二、防止開(kāi)關(guān)管被擊穿。早期的緩沖電路是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到電阻上進(jìn)行消耗的。 早期的RCD（符號(hào)R表示電阻，符號(hào)C表示電容，符號(hào)D表示二極管）緩沖電路是通過(guò)將

15、開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移至電阻上來(lái)進(jìn)行消耗掉，但是這依然不能完全消除開(kāi)關(guān)損耗。無(wú)損緩沖電路能夠減小電路的損耗，從而提高電路性能。 2.2無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)提到無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路，不得不說(shuō)下有緣無(wú)損電路。同樣的有源無(wú)損緩沖電路也是可以降低開(kāi)關(guān)損耗的。但是相比無(wú)源無(wú)損電路來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜，不易控制。所以一般選用無(wú)源無(wú)損緩沖電路對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。 在逆變器電路中加入無(wú)源器件，構(gòu)成無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)減少電路損耗，降低電磁干擾噪聲并減小電流電壓應(yīng)力。并且這種電路設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，無(wú)需很多輔助電路，可靠性較好。本節(jié)主要介紹兩種無(wú)源無(wú)損緩沖電路：型和型。其中的符號(hào)C表示電容，符號(hào)D

16、表示二極管，符號(hào)L表示電感。指數(shù)2表示二極管的個(gè)數(shù)。型主要應(yīng)用在半橋和全橋的逆變電路中。如圖 2-1所示，為半橋逆變電路。 圖2-1  型半橋逆變器緩沖電路     圖2-1中，半橋逆變電路半酣兩個(gè)橋臂，電容C2和開(kāi)關(guān)管S1組成的一個(gè)，以及電容C5和開(kāi)關(guān)管S2組成的另一個(gè)。VD6和VD2為二極管。電感L1，電容C4，電阻R為等效輸出部分。虛線框部分包含的VD3、VD6、C5構(gòu)成了S1的緩沖電路。同樣S2的緩沖電路是由VD5、VD2、C5所組成的。圖2-2給出了型電路的三種工作模式，其中粗線表示電流流通路徑。圖2-2給出了(a)導(dǎo)通模式 (b)充電模式 (

17、c)放電模式 圖2-2  型電路的三種工作模式     其工作過(guò)程如下：     1）導(dǎo)通模式: 此時(shí)S1導(dǎo)通， S2截止，如圖2-2（a）所示。S1導(dǎo)通時(shí)，C2上會(huì)存在一個(gè)大小為Ed方向?yàn)樯险仑?fù)的電壓，即VD6電壓大小為0， VD3反向截止，所以VD3兩端會(huì)有大小為-Ed的電壓，此時(shí)流過(guò)C2的電流為0。據(jù)此得到：   （1）2）充電模式:   此模式下S1關(guān)斷，S2截止，如圖2-2（b）。L1經(jīng)過(guò) VD3續(xù)流給電容C2充電，充電電流為0時(shí)停止充電。同時(shí)C2電壓增加，導(dǎo)致

18、VD6反偏，其值等于-E， VD3導(dǎo)通。 （2） (3)    3）放電模式：  此模式下S1截止，S2也截止，如圖1-10（c）。此時(shí)C2的電壓高于電源電壓， VD6正偏導(dǎo)通， C2經(jīng)VD6放電到電源，到電源電壓與C2電壓相等時(shí)停止。 （4）同理，我們可以得到S2的工作原理：在型逆變電路中，盡量選取恢復(fù)較快的二極管，但是電容的選擇要根據(jù)需要緩沖的能量選擇。無(wú)損緩沖是指緩沖電容能夠?qū)⑿枰彌_的能量吸收并且在適當(dāng)時(shí)候釋放給電源。緩沖電路能實(shí)現(xiàn)無(wú)損緩沖，這是其突出的特點(diǎn)。但是當(dāng)需要緩沖的能量過(guò)大時(shí)，電容電壓增量很大，但VD6正向?qū)〞r(shí)的阻值很小，此

19、時(shí)放電電流過(guò)大，可能會(huì)對(duì)線路中的元器件造成損害。我們通過(guò)將限流電感L2串聯(lián)在VD6的放電回路上，將限流電感L3串聯(lián)在VD2的放電回路上，來(lái)解決這一問(wèn)題，這就構(gòu)成了型緩沖電路。如圖2-3所示。圖2-3  型逆變器緩沖電路型緩沖電路的工作模式類似于型，即 型緩沖電路也存在導(dǎo)通模式、充電模式和放電模式這三種模式。三種模式中只有放電模式與型略有不同，其他兩種工作模式基本類似，所以也不多介紹。如圖2-4（c）所示為放電模式電路。緩沖電容經(jīng)過(guò)VD6、L2將能量釋放到電源，這種放電模式為諧振電，也因此實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通，有效的限制了過(guò)高的電流給電路帶來(lái)的沖擊。緩沖電容的選擇與型緩沖電路類似。主要

20、是電感的選擇，電感與電容諧振的半個(gè)周期時(shí)間不能大于開(kāi)關(guān)管停止時(shí)間。(a)導(dǎo)通模式 (b)充電模式 (c)諧振放電模式 圖2-4 型電路的三種工作方式2.3 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的構(gòu)成緩沖電容和電感是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中兩個(gè)重要的元器件。緩沖電容又被稱作零電壓電容ZVC，緩沖電感又被稱作零電流電感ZCL。 無(wú)無(wú)軟關(guān)需要滿足以下條件:1、減小開(kāi)關(guān)管動(dòng)作時(shí)電壓和電流的變化率。2、反饋緩沖電容、電感中能。3、控制開(kāi)關(guān)管、二極管的電流、電壓應(yīng)力在適當(dāng)范圍內(nèi)。 4、必須保證在下一次開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前能夠?qū)VC中的能量轉(zhuǎn)移掉。2.4 零電流開(kāi)關(guān)在電路中的合適地方放置緩沖電感，di/dt就會(huì)得到降低，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電流開(kāi)

21、通。雖然實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通但是此時(shí)開(kāi)關(guān)管的損耗又會(huì)增加，所以我們采用電壓的形式將緩沖電感的能量存儲(chǔ)在VSD中，并且控制開(kāi)關(guān)管、二極管的電流、電壓的應(yīng)力在合適范圍內(nèi)。2.4.1緩沖電感的放置緩沖電感Lr的放置需要遵循以下的基本原則： 1、回路中需要有開(kāi)關(guān)管。 2、回路中不能有電感和電阻。 3、活路中需要有電或者源。根據(jù)以上的基本原則就可以在電路中放置Lr。下面以Boost變換器為例來(lái)放置Lr。如2-5所，箭頭1.1即為滿足放置Lr要求回路。并且我們可以發(fā)現(xiàn)A、B、C、D、E這五個(gè)位置其實(shí)都滿足放置條件，這也告訴我們放置位置的選取并不是唯一的。根據(jù)這個(gè)例子，我們知道根據(jù)以上三個(gè)基本原則，我們能夠很快確

22、定Lr的位置。圖2-5 boost變換器中緩沖電感的位置2.4.2 緩沖電感的能量回復(fù)前面我們知道VSD中是以電壓形式存儲(chǔ)的能量。VSD的實(shí)現(xiàn)我們一般以 耦合電感或電容的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用電容來(lái)實(shí)現(xiàn)VSD的話，為了保證電容能夠存儲(chǔ)來(lái)自緩沖電感每個(gè)周期的能量，我們需要電容能夠進(jìn)行能量的釋放與吸收回路，以保證在下一個(gè)周期到來(lái)時(shí)之前存儲(chǔ)的能量得到及時(shí)釋放，這樣就可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)周期能量的存儲(chǔ)。采用耦合電感實(shí)現(xiàn)VSD的方式有兩種，即正激式耦合變壓器和反激式耦合變壓器。它們的電路分別如圖2-6中的（a），（b）所示：圖2-6 電型VSD電路耦合電感型VSD能夠直接將緩沖電感的能量存儲(chǔ)至變換器儲(chǔ)能元件中。但是，

23、為了防止耦合電感中的漏感，需要一些其他輔助電路，這使得整個(gè)電路變得比較復(fù)雜。 2.5零電壓開(kāi)關(guān)采用緩沖電容與開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)可以抑制dv/dt，同樣緩沖電容的放置也需要遵守一些基本原則:1、緩沖電容在每個(gè)周期內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)能量的平衡，這需要加入一些無(wú)源元器件。2、綜合考慮整個(gè)電路，需要能夠完成周期性能量回饋。2.5.1緩沖電容的放置在這里緩沖電容先和二極管Ds形成支路之后并聯(lián)。以此來(lái)防止Cr能量通過(guò)開(kāi)關(guān)S1被消耗。 這一點(diǎn)與前面介紹的稍微有一點(diǎn)的不同。下面介紹ZVC位置的設(shè)計(jì)原則。為了防止緩沖電容Cr能量通過(guò)開(kāi)關(guān)管被消耗，所以首先需要將Cr與二極管D放在同一之路中并與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)。下面介紹Cr的放置一些

24、技巧。由于Cr與二極管D處在同一支路中，并與S1并聯(lián)，所以如果我們能夠找到Cr其子圖，進(jìn)一步就可以確定Cr所在支路的位置，并最終確定Cr的位置。圖2-7中，Vs、S1、C1可以組成Cr的子圖，并且Cr所在支路要與該子圖構(gòu)成回路。根據(jù)這樣的原則我們可以組成三種Cr支路和Cr子圖回路。圖2-7 緩沖電容在電路中的放置位置2.5.2 緩沖電容的能量回復(fù)對(duì)源開(kāi)關(guān)變器來(lái)，Cr中的電值必在一開(kāi)周的時(shí)內(nèi)復(fù)，只有這才為下一周的零壓關(guān)做出充分的備。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)ZVC能量的恢復(fù)過(guò)程也會(huì)隨之發(fā)生，而且為了能夠達(dá)到?jīng)]有損耗的效果Cr中的能量必須能夠傳遞給負(fù)載端或者輸入端。在實(shí)際應(yīng)用中為了實(shí)現(xiàn)ZVC能量的恢復(fù)經(jīng)常采用的

25、實(shí)現(xiàn)方式是LC諧振。為了保證在下個(gè)周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓關(guān)斷，Cr中的能量必須在本次周期內(nèi)回復(fù)。實(shí)際應(yīng)用中一般采用LC諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。（a） （b） （c）圖2-8 Boost變換器中Cr能量恢復(fù)電路如圖2-8所示，我們可以看到，采用LC諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)Cr能量回復(fù)的方式主要有三種。但這三者有一個(gè)共同點(diǎn)就是Cr中的能量在S1導(dǎo)通時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)能量的回復(fù)。2.6 無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)通過(guò)上面的幾節(jié)的介紹，我們知道無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的加入對(duì)整個(gè)電路有有點(diǎn)也有缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)軟開(kāi)關(guān)電路的時(shí)候，我們也需要考慮無(wú)源無(wú)損器件給開(kāi)關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力造成的影響，以及給整個(gè)線路造成的影響等諸多因素結(jié)合起來(lái)，提出最佳方案。在針

26、對(duì)具體電路設(shè)計(jì)無(wú)源無(wú)損開(kāi)關(guān)器件時(shí)，需要結(jié)合上幾節(jié)內(nèi)容來(lái)綜合考慮采用的器件類型。例如VSD的選取以及是到底采用緩沖電容的方式還是緩沖電感的方式都需要結(jié)合具體電路來(lái)分析。至于緩沖電容與緩沖電感位置的選擇，需要根據(jù)前面介紹的幾個(gè)基本原則來(lái)最終確定。2.7本章小結(jié)這章主要介紹了無(wú)源無(wú)損開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電路的主要構(gòu)成部分，以及各部分位置的放置。然后，簡(jiǎn)單的介紹了各部分器件的工作原理。通過(guò)本章，我們對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)源無(wú)損的開(kāi)關(guān)電路有了更全面的認(rèn)識(shí)。 第三章 DC/AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)目前將無(wú)緣無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用到DC/AC逆變器中還有著很多的困難。但是人們還是對(duì)他進(jìn)行了更為細(xì)致的研究。3.1 基于DC/

27、AC變換器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)步驟逆器電中雖有為較的開(kāi)管，但在設(shè)軟關(guān)時(shí)是要先每開(kāi)管進(jìn)設(shè)，因基的設(shè)原沒(méi)發(fā)根的變。另外，我們?cè)趯?shí)際中進(jìn)行設(shè)計(jì)軟開(kāi)關(guān)電路時(shí)還應(yīng)該考慮到將各個(gè)軟開(kāi)關(guān)單元的元器件共用，利用這種方法來(lái)使得整個(gè)電路系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。為了保證電路中每一個(gè)軟開(kāi)關(guān)單元都能順利的進(jìn)行工作，這就要求系統(tǒng)中各個(gè)軟開(kāi)關(guān)單元在工作時(shí)不能互相干擾。關(guān)于DC/AC（直流-交流）逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程我們將在下面的一節(jié)進(jìn)行具體的闡述。3.1.1 DC/AC開(kāi)關(guān)管的零電流電感ZCL我們已經(jīng)在前面的章節(jié)中講述了無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)這些設(shè)計(jì)原則，可以歸納出DC/AC變換器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

28、過(guò)程一:找出電路ZCL的位置和個(gè)數(shù)。這一過(guò)程又可以分為如下幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一步:找個(gè)開(kāi)管可的零流電ZCL的置。對(duì)于每個(gè)開(kāi)關(guān)管，找出ZCL回路。找所這開(kāi)管零流電ZCL回的可緩電Lr位的交。這些交集決定了緩沖電感的位置。第二步:找所的開(kāi)管可實(shí)軟關(guān)的少Lr的目。并進(jìn)一步結(jié)合第一步找出位置元素Lr的交集。如這集是非的，則電中只要個(gè)零流電ZCL就以完所開(kāi)管的零流導(dǎo)。否則電路中所需要的電感數(shù)目將不止一個(gè)。第三步:由上面的一步所確定的緩沖電感Lr的位置集合，其中任意一個(gè)緩沖電感的位置都可以用來(lái)作為整個(gè)電路ZCL。為了可以更好的理解上面的文字?jǐn)⑹?，我們接下?lái)將具體的舉例說(shuō)明上面的設(shè)計(jì)過(guò)程。下圖中圖3-1 H

29、alf Bridge和Full Bridge電路的基本軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Full Bridge電路中。第一步:我們這一步要做的就是找出電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)管所有可能的零電流電感ZCL的位置。首先對(duì)于開(kāi)關(guān)管S1，S2，S3，S4，分別找出其ZCL回路。根據(jù)上面介紹的設(shè)計(jì)原則我們可以很方便的找出與這些開(kāi)關(guān)管相對(duì)應(yīng)的ZCL回路分別是S1，S2，Vs，S1，S2，Vs，S3，S4，Vs，S3，S4，Vs。（a） （b）圖3-2 全橋電路的ZCL回路第二步:這一步我所需要做的就是把全部回路集合中的共同元素給找出來(lái),結(jié)果如圖3-3所示。圖3-3 Full Bridge電路的零電流電感ZCL共用回路因此，我們可以得

30、出結(jié)論上面的電路要完成所有開(kāi)關(guān)管的零電流導(dǎo)通只需要用一個(gè)緩沖電感就可以了。第三步，上面的電路圖中的位置1和位置2是共同元素共同回路的兩個(gè)位置，選定這兩個(gè)位置中的一個(gè)之后就可以確定緩沖電感Lr的位置了。類似的，我們也可以找出Lr的位置。Half Bridge電路同樣也只需要一個(gè)緩沖電感，如圖3-1所示表示出了有六個(gè)緩沖電感Lr的位置。3.1.2 DC/AC開(kāi)關(guān)管的零電壓電容ZVC上面得一小節(jié)我們?cè)敿?xì)的介紹了如何確定零電流電感ZCL的位置，接下來(lái)我們將要討論如何確定零電壓電容ZVC支路的位置。關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與前面介紹的零電流電感ZCL位置的設(shè)計(jì)有著不同之處，下面將具體說(shuō)明之。過(guò)程二：我們

31、可以由過(guò)程一確定出的各個(gè)緩沖電感Lr的位置，進(jìn)而可以確定出零電壓電容ZVC支路的位置。我們又可以把這一過(guò)程分為以下兩個(gè)設(shè)計(jì)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一步：對(duì)于電路中的每一個(gè)開(kāi)關(guān)管而言，我們又可以按照上面的設(shè)計(jì)步驟確定出ZVC子圖的位置（具體說(shuō)明請(qǐng)參考2.3.1節(jié)）。子圖形為包圍開(kāi)關(guān)S的支路。第二步：同樣的對(duì)于電路中的每一個(gè)開(kāi)關(guān)管來(lái)說(shuō)，我們也可以根據(jù)上面的設(shè)計(jì)步驟確定出系統(tǒng)中ZVC支路位置的數(shù)目。根各開(kāi)管的零壓電ZVC子在開(kāi)管兩的節(jié)個(gè)N1，N2可確支位的數(shù)。對(duì)于某一具體的零電壓電容ZVC子圖來(lái)說(shuō)，我們可以由下面的公式可以得到子電路位置的數(shù)目：Nx=N1*N2（X=a，b，c，d.） （3.1）第三步：針對(duì)一

32、個(gè)確定的緩沖電感Lr的位置，它可以放置零電壓電容ZVC支路的數(shù)目為上一步所確定的所有零電壓電容ZVC子圖的支路位置的數(shù)目的乘積，我們可以用下面的表達(dá)式進(jìn)行表示：Ntotal=Na*Nb*Nc. （3.2）圖3-4 每個(gè)開(kāi)關(guān)管零電壓電容支路的位置向硬開(kāi)關(guān)電路中插入一個(gè)ZCL和一個(gè)ZVC支路所組成的一個(gè)基本軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所的零壓電ZVC和零流電ZCL支的位構(gòu)的所可的軟關(guān)基拓結(jié)，對(duì)逆器而，如圖3-1所示為不同的電路中緩沖電感Lr的位置，零電壓電容ZVC支路的數(shù)目。對(duì)Half Bridge電路來(lái)說(shuō)，如果只使用一個(gè)零電流導(dǎo)通電感Lr，這樣組成的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到32種，同樣的對(duì)于Full

33、 Bridge電路來(lái)說(shuō)，可組的不軟關(guān)撲構(gòu)達(dá)8種。3.1.3 逆變器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)綜合設(shè)計(jì)如果在逆變器軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中僅僅只確定了的零電壓電容ZVC的位置以及零電流電感ZCL的位置是不行的，要想完成整個(gè)無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們還需要綜合能量回饋來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。過(guò)程三：對(duì)于已經(jīng)確定了的零電流電感ZCL以及零電壓電容ZVC的位置的電路，想要完成整個(gè)逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，我們還需要與合適的軟開(kāi)關(guān)單元來(lái)進(jìn)行相配合。如果系統(tǒng)已經(jīng)確定了零電壓電容ZVC和零電流電感ZCL支路的位置，我們還需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的回饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成零電壓電容ZVC的能量恢復(fù)以及零電流電感ZCL的能量回饋。針對(duì)已經(jīng)確定了的零電壓電容

34、ZVC和零電流電感ZCL支路的位置，如果選取的基本軟開(kāi)關(guān)單元較為合適，這樣就可以在一定的程度上將整個(gè)無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化。如下所為適逆器的基軟關(guān)單：（a） （b）圖3-5 逆變器的基本軟開(kāi)關(guān)單元由此我們可以知道嵌入了基本軟開(kāi)關(guān)單元的Half Bridge無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)逆變器如圖3-6（a）所示，從圖中我們可以很輕松的看出來(lái)，在這個(gè)軟開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)中采用了零電流電感ZCL位置3。如圖3-6（b）所示為Half Bridge逆變器軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通狀態(tài)的電路，它完成的只是Half Bridge逆變器的各個(gè)開(kāi)關(guān)管的零電流導(dǎo)通以及能量回饋工作。(a) (b)圖3-6 Half Bridge逆變器的無(wú)源無(wú)損

35、軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.2 DC/AC軟開(kāi)關(guān)逆變器的工作過(guò)程正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管需要能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓關(guān)斷與零電流導(dǎo)通，除此之外還要完成ZCL和ZVC的能量回饋與恢復(fù)。如圖3-7所示為有兩個(gè)軟開(kāi)關(guān)單元同時(shí)給兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作的Half Bridge逆變器圖3-7 Half Bridge逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)3.3 逆變器無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)我們知道采用無(wú)源無(wú)損的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)DC/AC變換器軟開(kāi)關(guān)，它的優(yōu)勢(shì)就是不需要添加任何輔助的開(kāi)關(guān)管以及控制電路。我們?cè)谶M(jìn)行軟開(kāi)關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)一定要確保軟開(kāi)關(guān)能夠順利的正常的工作，同時(shí)還要盡量將附加軟開(kāi)關(guān)電路給開(kāi)關(guān)管帶來(lái)的不利影響減少。在進(jìn)軟關(guān)參的選時(shí)，我們需要選合的緩

36、電Cr和緩電Lr來(lái)實(shí)零壓關(guān)及零流導(dǎo)。另能轉(zhuǎn)元如CsLs的參選也很要。如果電路需要讓軟開(kāi)關(guān)能在較大的負(fù)載范圍內(nèi)都能順順利利的工作的話，那么電感Ls的值就要選取的足夠大。然而，我們?cè)趯?shí)際選取時(shí)Ls的參數(shù)不可能選取的過(guò)大，如果Ls的參數(shù)選取的過(guò)大那么就會(huì)使得開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力超出設(shè)計(jì)值所允許的范圍，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)選擇緩沖電感Ls的取值時(shí)要綜合考慮。同樣的道理從理論上來(lái)說(shuō)緩沖電容Cs的取值應(yīng)要足夠大，但事實(shí)確并不是這樣的，如果緩沖電容Cs的取值選得過(guò)大，將影響逆變器在動(dòng)態(tài)條件下的軟開(kāi)關(guān)的正常工作。由此可以得出結(jié)論緩沖電容Cs的參數(shù)選擇也要受到很多方面條件的制約。接下來(lái)我們將詳細(xì)的講解如何選取設(shè)計(jì)軟開(kāi)關(guān)的主

37、要參數(shù)。1） 電容Cs上的電壓值。 （3.3）在這里加緩電Cs上的電值Vcs就軟關(guān)電附在開(kāi)管的電應(yīng)值。很明顯，這個(gè)電壓值Vcs既不能過(guò)大但也不能過(guò)小。零壓電ZVC和零流電ZCL的及逆器的輸電大共同的決了Cs上的電值。為保軟關(guān)的正工作，開(kāi)管的零壓關(guān)以能的轉(zhuǎn)過(guò)必在開(kāi)管的關(guān)期完，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷暫態(tài)時(shí)間和開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程時(shí)間之間的關(guān)系可以用下面的公式進(jìn)行表示。 （3.4）如開(kāi)管的關(guān)暫時(shí)要大開(kāi)管關(guān)過(guò)時(shí)，則當(dāng)開(kāi)管再一導(dǎo)時(shí)，二極管仍然是導(dǎo)通的，那么就無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流導(dǎo)通。根據(jù)上面的等式以及具體的工作狀態(tài)，我們就可以分別計(jì)算出當(dāng)負(fù)載電流的方向不同時(shí)的最小緩沖電容Cs值了。 （3.5）為了滿足緩沖電容Cs能夠在

38、每個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)存所有的來(lái)自電感和電容的能量，并且保證能量能夠恢復(fù)完全，這就要求加在緩沖電容Cs上的電壓值Vcs不能低于某一個(gè)最小值，我們結(jié)合具體工作狀態(tài)中的緩沖電容Cs的能量轉(zhuǎn)移關(guān)系，可以得到： （3.6）2）電感Ls的值的確定。假設(shè)在逆變器中每一個(gè)開(kāi)關(guān)管的基本軟開(kāi)關(guān)單元中緩沖電感Ls的取值都是相等的，由等式（3.3）遠(yuǎn)大于等式（3.5）我們可推出有如下的等式成立： （3.7）這個(gè)等式對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)尤其重要的結(jié)論，我們只要保證電感Ls和電感Lr的比值為一合適的值，就能夠保證軟開(kāi)關(guān)的正常工作。在確了緩電Lr的值后，我們就以參這不式來(lái)?yè)窈系碾奓s的值。3）零電流電感ZCL值的確定。由前面的內(nèi)容我們

39、可以知道，為了滿足軟開(kāi)關(guān)能夠正常順利的工作，逆變器的緩沖電感Lr的值的選擇還有一定的約束條件。由式（3.6）大于式（3.3），我們可以推得滿足軟開(kāi)關(guān)正常順利工作下的最大零電流電感ZCL的值： （3.8）這里，Imax為輸出尖峰電流值。4）電容Cs值的確定。電容Cs是一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)有著較大值的電容，但是它的電容值不能選得過(guò)大，需要保證電容Cs上的電壓值Vcs大于電容Cs上所允許的最小的電壓值Vcs-min。這些條件在電容Cs參數(shù)選取時(shí)都是需要滿足的。一個(gè)周期內(nèi)，電容Cs上的電壓值我們可以用如下的等式表示為： （3.9）此處 （3.10）選擇電容Cs的值時(shí)要考慮到最惡劣環(huán)境情況下可以選擇參數(shù)的值，也

40、就是說(shuō)要滿足等式（3.5）中的條件，即Vcs要大于Vcsmin。3.4 Half Bridge逆變器軟開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)這次實(shí)驗(yàn)我們將無(wú)損軟開(kāi)關(guān)單元附加到Half Bridge逆變器中，我們做出了一個(gè)1KW的無(wú)源無(wú)損Half Bridge逆變器。下面的電路圖所示的為我們所選擇的嵌入位置和結(jié)構(gòu)單元。圖3-8 Half Bridge逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路這無(wú)無(wú)Half Bridge逆器的輸電為200V的波，開(kāi)頻的大為10kH，控電采SG3525控芯，半橋開(kāi)關(guān)IGBT是由IR2104來(lái)驅(qū)動(dòng)的，緩沖電路使用的是非最小電壓應(yīng)力軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。主電路的主要參數(shù)為：=2mH、560uF、60。我們可以按照

41、3.3小節(jié)中的設(shè)計(jì)方法盡行參數(shù)的選取，由此我們選取的元件值得參數(shù)為：26uH、80uH、10nF、2uF。IR2104是一個(gè)有雙路輸出功能的功率放大器，用于將SG3525發(fā)送出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，這樣就可以驅(qū)動(dòng)Half Bridge電路的功率開(kāi)關(guān)管IGBT了。IR2104的特點(diǎn)為：l 輸出端耐壓值可達(dá)到600Vl 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電源為10V-20Vl 欠壓鎖定功能l 3.3V，5V，15V輸入邏輯信號(hào)l 預(yù)防雙路信號(hào)直通l 內(nèi)部設(shè)置的死區(qū)時(shí)間l 輸入信號(hào)大功率輸出l 輸入關(guān)閉輸出通道關(guān)閉l 兩個(gè)通道傳遞匹配的延遲時(shí)間其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-9所示的是整個(gè)Half Bridge逆變器的電路原理圖

42、。圖3-9 IR2104內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖這個(gè)無(wú)源無(wú)損Half Bridge逆變器的運(yùn)行效率高達(dá)94%，從開(kāi)關(guān)管的兩端可以明顯的看到電壓和電流的波形已經(jīng)達(dá)到了幾乎沒(méi)有損耗的效果。從而減少了逆變器的開(kāi)關(guān)損耗，使得逆變器的工作效率變得比較高。由這點(diǎn)我們可以得出無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以在逆變器電路中得到一個(gè)比較好的應(yīng)用。3.5本章小結(jié)這一章對(duì)零電流電感ZCL、零電壓電容ZVC和器件參數(shù)的選擇進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，包括其基本概念以及其基本原理；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的辦法，我們?cè)O(shè)計(jì)出了DC/AC逆變器的無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)。- 19 -第四章 結(jié)論本論文是在查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)以及資料的基礎(chǔ)上總結(jié)和歸納的，在論文的開(kāi)始我們粗略的介

43、紹了什么是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生是為了解決傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)技術(shù)下電磁干擾噪聲比較大以及開(kāi)關(guān)損耗大逆變效率低下的問(wèn)題。在了解了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)以后，我們開(kāi)始剖析軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，即電路的設(shè)計(jì)。在開(kāi)始設(shè)計(jì)電路之前我們先明確了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的各個(gè)組成部分，并對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。包括兩種基本的緩沖電路CD2型和CLD2型緩沖電路。并簡(jiǎn)單分析了兩種緩沖電路的工作原理。接下來(lái)我們介紹了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的重要組成元器件，緩沖電容和緩沖電感。并介紹了緩沖電容、電感的放置以及緩沖電容、電感的能量恢復(fù)。在探究了上述內(nèi)容后，我們對(duì)軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了很全面的認(rèn)識(shí)。在第三章節(jié)，我們開(kāi)始將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與DC/AC變換