高效率单相全桥软开关逆变器

王强　李兵　王天施　刘晓琴

摘 要：为使逆变器处于高效率运行状态，提出新型单相全桥逆变器。在各切换周期内，仅需切换1个主开关和1个辅助开关的工作状态，而且辅助开关处于开通状态的时间可设计为常数，与负载电流瞬时值的变化无关。在各切换周期的工作流程中，主开关切换为开通状态前的端电压已为0，其实现了零损耗开通。讨论逆变器在1个切换周期内的工作流程、参数选取原则和辅助电路的理论损耗，完成具体实验参数的计算。在2 kW样机上获取的实验波形显现出开关器件工作于软切换状态，逆变器输出电流波形的总谐波畸变率具有优势，特别是低频时的输出电流波形不存在明显畸变，而且逆变器的额定运行功率达到98.4%。实验结果证明，可通过消除开关损耗来提升该逆变器的运行效率，而且其运行在低输出频率时的稳态性能良好。

关键词：逆变器;高效率;软开关;零损耗;零电压开通;谐振电路

DOI：10.15938/j.emc.2020.06.011

中图分类号：TM 464文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2020）06-0090-08

Efficient single-phase full bridge soft-switching inverter

WANG Qiang， LI Bing， WANG Tian-shi， LIU Xiao-qin

（College of Information and Control Engineering， Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）

Abstract：For the sake of high-efficiency of the inverter， a single-phase full bridge inverter is proposed. In each switching period， only one main switch and one auxiliary switch needs switch. The duration of conduction state of the auxiliary switch is constant and independent of the instantaneous value of load current. During the workflow in each switching period， the voltage across the main switch decreased to zero before the main switch was turned on. The main switch achieved zero-loss turn-on. In the workflow of one switching period， parameter design rules and theoretical loss of auxiliary circuit were discussed. In addition， the calculation of specific experimental parameters was implemented. The working principle and parameter design process of the circuit were analyzed in detail， and a 2 kW prototype was built. The experimental waveforms derived from a 2 kW prototype showed that the switches work in the state of soft-switching; the total harmonic distortion rate of output current waveform has advantages， and the output current waveform at low frequency does not have obvious distortion. The efficiency of the inverter at rated power is up to 98.4%. The experimental results prove that the inverter can work efficiently and stably at low output frequency by reducing the switching loss.

Keywords：inverter; high-efficiency; soft-switching; zero-loss; zero-voltage turn-on; resonant circuit

0 引 言

传统的硬开关逆变器工作在高开关频率时，逆变器的转换效率会因为开关损耗的增大而降低，同时还存在音频噪声，而且逆变器输出电流易受死区影响而产生畸变，影响电能质量[1-4]。软开关技术可解决上述问题。

辅助谐振电路位于逆变器直流环节的是谐振直流环节逆变器，由于该类型逆变器耦合性较为突出，任意1个主开关器件需要零电压切换时，都要利用谐振把母线电压下降为0，因此会有多个零电压凹槽出现在母线电压中，会导致直流母线电压的利用率变低，谐振频率的提升受到限制[5-6]。辅助谐振电路接在逆变器桥臂中点和直流母线之间的是谐振極逆变器，该逆变器各相的辅助谐振电路相互独立，因此谐振极逆变器在近些年已逐渐成为研究热点。文献[7-9]提出逆变器中的变压器易出现饱和状态，会影响逆变器可靠工作;文献[10-11]提出逆变器存在中性点电位波动，同样会影响逆变器可靠工作;文献[12]提出逆变器需要通过实时检测谐振电流值来控制辅助开关，不利于控制电路简单化。

设计了高效率单相全桥软开关逆变器，包含优势如下：1）既不含变压器，又不含分压电容，工作可靠;2）辅助电路控制信号的占空比为常数，不随负载电流瞬时值的变化而变化;3）当1个桥臂上的主开关都处于关断状态，负载电流能通过辅助电路中的储能元件来续流，因此相比于硬开关逆变器，该软开关逆变器输出电流的畸变率被降低。

1 电路分析

1.1 工作流程

逆变器主电路、等效电路、理论波形和各流程的电流流通路径分别如图1～图4所示。

流程1（t0～t1）：逆变器处于稳态，uC1=0，uC2 =E，iLa=0，Sa的端电压UA= Ca1E / （Ca +CDa+Ca1+Ca2），其中Ca、CDa、Ca1和Ca2分别表示Sa、Da、Da1和Da2的寄生电容。

流程2（t1～t2）：S1在流程2开始时刻切换为关断状态，C1有效阻止了S1切换为关断状态时的端电压快速增大，所以S1的关断损耗下降，S1在关断的过程中取得了零电压软关断。从t1时刻开始，uC1以恒定的速度增大。在uC1达到E时，D2切换为导通状态，流程2终止。本流程运动轨迹如图5所示。

流程3（t2～t3）：辅助电路工作结束，负载电流流过D2。

流程4（t3～t4）：Sa在流程4开始时刻切换为开通状态，La阻止了Sa切换为开通状态时的电流快速增大，所以Sa的开通损耗下降，Sa在开通过程中取得了零电流软开通。从t3时刻开始，iLa以恒定的速度增大，在iLa达到I0时，D2切换为关断状态，流程4终止。本流程运动轨迹如图5所示。

Sa开通瞬间电流变化率为

本流程持续时间为

流程5（t4～t5）：La、C1和C2在流程5开始时刻发生电能转移，C1释放电能，C2吸收电能，uC1处于降低状态，uC2处于增大状态，当uC1降低为0时，iLa达到最大值ILa，max，流程5终止。本流程运动轨迹如图5所示。本流程的运动曲线方程为：

将uC1=0代入式（11）可求出iLa的最大值为

iLa、uC1和uC2的表达式为：

本流程持续时间为

流程6（t5～t6）：辅助电路谐振停止，电路处于稳态。

流程7（t6～t7）：在流程7开始时刻，Sa切换为关断状态，S1切换为开通状态。La向直流电源转移电能，iLr以恒定速度下降，当iLr下降为I0时，流程7终止。本流程运动轨迹如图5所示。

本流程持续时间为

流程8（t7～t8）：在流程8开始时刻，流过S1的电流iS1以恒定速度从0变大，iLa继续以恒定速度降低。当iLa降低到0时，流程8终止。本流程运动轨迹如图5所示。

本流程持续时间为

需要说明的是当负载电流值接近于0时，在Sa开通瞬间，uC1可能还没有变化到E。但是这不影响Sa开通之后，uC1在电路的谐振过程中变化到0，即负载电流接近零对S1实现零电压开通无影响。

1.2 设计方法

1）为确保全负载范围内主开关S1实现零电压开通，则主开关S1的开通动作比辅助开关Sa的开通动作要滞后时间Td，且满足Td=T4+T5（uC1下降为0之后再开通主开关S1），即

2）为确保在全负载范围内主开关S1在关断瞬间完成零电压软关断，其关断瞬间的电压变化率不能超过器件允许的电压变化率，即

3）为确保在全负载范围内辅助开关Sa实现零电流开通，器件允许的电流变化率应不小于其开通瞬间的电流变化率，即

4）为简化控制，在全负载范围内，辅助开关Sa可采用恒定占空比控制，其触发脉冲的占空比为

式中：T表示开关周期;I0max表示最大负载电流值。由式（29）可知，在其它参数确定后，辅助开关Sa的触发脉冲占空比为定值。

5）为限制辅助电路的损耗，根据式（13）可得出需要满足以下条件：

1.3 器件的最大电压和最大电流

开关器件两端的最大电压等于E。

流程5中，当uC1减小到0时，iLa增大到最大值ILa，max，此时流过Sa、Da2的电流也达到最大值ILa，max;在t6时刻，Da1导通，此时iLa为最大值ILa，max，流过Da1的电流也达到最大值ILa，max;流程4中，iLa为0时，流过D2的电流达到最大值I0;流程8中当iLa减小到0时，流过主开关S1的电流达到最大值I0。

流过Sa、Da2与Da1的电流最大值为

流过主开关S1以及D2的电流最大值为

根据式（31）和式（32）即可求得器件承受的电流最大值，进而选择合适的型号。

2 辅助电路功率损耗分析

主开关S1实现软切换，故不存在开关损耗;辅助开关Sa实现零电流开通，没有实现软关断，存在关断损耗;谐振电感和谐振电容存在内阻损耗;电流流过辅助开关以及二极管时存在通态损耗。设开关导通时压降为VCE，二极管导通时的压降为VEC，开关频率为fc，谐振电感La的内阻为RLa，谐振电容C1和C2的内阻分别为RC1和RC2。

辅助开关Sa的功耗表示为

二极管Da2的通态损耗表示为

谐振电感La的功率损耗表示为

式中：VCEN代表额定电压;ICN代表额定电流;Esw（off）p代表额定条件下开关关断时损失的电能;流过开关的最大电流为ICP，且ICP=I0max。

谐振电容C1的功率损耗表示为

谐振电容C2的功率损耗表示为

辅助谐振电路总损耗表示为

3 实验参数计算

已知实验样机额定输出功率P0=2 kW，逆變器直流电源电压E=200 V，最大负载电流为I0max=24 A，输出电压有效值U0=120 V，负载电感L=1 mH，负载电阻R=7 Ω，开关频率fc=20 kHz，输出频率f0=50 Hz，开关器件额定的电流变化速度（di/dt）r=20 A/μs，开关器件额定的电压变化速度（du/dt）r=200 V/μs。

设计过程：

为在全负载范围内实现主开关S1零电压关断，依据式（27），谐振电容Cr应满足

由式（37）可得，Cr≥60 nF，取Cr=68 nF。

为确保辅助开关Sa零电流开通，由式（28）得谐振电感La应满足

可求出La≥10 μH，留有一定裕量可取La=Lr=11 μH。

为确保全负载范围内主开关S1实现零电压开通，S1的开通动作比Sa的开通动作滞后的时间Td需要满足式（26）。将Lr=11 μH、Cr=68 nF、T=50 μs等相关参数带入式（26）可得

因此当Td=3.24 μs时，可确保主开关S1零电压开通。

所以谐振电流最大值符合设计目标。

4 实验验证

实验参数为直流输入电压E=200 V，输出功率P0=2 kW，逆变器输出电流峰值I0max=24 A，输出电压有效值U0=120 V，负载电阻R=7 Ω，负载电感L=1 mH，谐振电感Lr=11 μH，谐振电容Cr=68 nF，逆变器死区时间Δ=2 μs，辅助开关Sa触发脉冲占空比ρSa=0.064 8，最大负载电流I0max=24 A，开关频率fc=20 kHz，输出频率f0=50 Hz。另外，为避免开关器件关断时产生过电压，以获得开关瞬间的相对理想实验波形，在逆变器桥臂上并联了放电阻止型RCD吸收电路。采用该类型吸收电路的原因是其适用于输出功率和开关频率较高的装置，而且能有效抑制过电压，不会额外增加流过开关器件的电流，附加损耗小。实验样机照片如图6所示。

图7（a）为电路谐振电流和谐振电压波形，基本符合图3的理论特征波形;图7（b）为单相全桥软开关逆变器的输出电流i0的实验波形，输出频率为50 Hz，波形比较光滑，是良好正弦波，波形畸变率为2.2%，如果将负载电感去掉，变为阻性负载，波形畸变率为1.5%。如图7（c）所示，iSa没有瞬间快速增大，Sa取得了零电流软开通。如图7（d）和图7（e）所示，S1切换为开通状态之前，uS1已提前变化为0，所以S1取得了零电压软开通;当S1切换为关断状态时，uS1没有瞬间快速增大，所以S1取得了零电压软关断。如图7（f）和图7（g）所示，本文设计的软开关逆变器输出电流无畸变，这是因为该软开关逆变器处于死区状态时，负载电流能通过辅助电路中的储能元件续流，降低了死区状态对逆变器输出电流的影响，所以低输出频率时，电流无畸变。图7所示的实验波形在开关瞬间的抖动较为理想，说明了本实验采用的吸收电路工作效果明显。

在不同输出功率下的实测效率曲线如图8所示。可以看出，在输出功率为额定值时，效率达到98.4%，比硬开关逆变器高2.7%，比文献[13]提出的软开关逆变器高1.2%。

在不同输出功率下测得的辅助电路损耗Padd的曲线如图9所示。可以看出，输出功率2kW时，本文提出的软开关逆变器的辅助电路损耗明显低于文献[13]所提出的拓扑结构的辅助电路损耗，本文提出的软开关逆变器的辅助电路损耗的理论值略低于实测值是因为实际存在的磁芯损耗和线路损耗等没有包含在理论计算中，但是理论值和实测值的变化曲线比较接近，说明了辅助谐振电路功率损耗的数学模型是有效的。

5 结 论

设计了高效率单相全桥软开关逆变器，根据实验结果得出结论如下：1）开关器件取得了软切换;2）逆变器输出电流波形为光滑正弦波，表明增加的辅助电路对逆变器的正常运行无影响;3）在输出功率2 kW时，效率达到98.4%，效率得到改善。在开关频率为20 kHz时取得的良好实验结果也为进一步提高开关频率和在更高开关频率下的实验奠定了基础。

参 考 文 献：

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（编辑：邱赫男）

收稿日期： 2017-09-20

基金项目：辽宁省教育厅科学研究项目（L2019017）

作者简介：王 强（1981—），男，博士，副教授，研究方向为软开关逆变器的电路拓扑及控制;

李 兵（1994—），男，硕士研究生，研究方向为软开关变换器的电路拓扑及控制;

王天施（1970—），男，博士，副教授， 研究方向为电力系统继电保护;

刘晓琴（1975—），女，博士，副教授， 研究方向为电力系统故障诊断。

通信作者：王 强