现代电力电子技术6

第6章PWM软开关电路6.1概述6.2缓冲型PWM软开关电路6.3控制型PWM软开关电路6.4直流谐振型PWM软开关电路6.1概述6.1.1高频化与PWM技术6.1.2高频工况下电路开关环境的比较6.1.3软PWM开关电路的分类6.1.4PWM软开关电路存在的问题6.1.1高频化与PWM技术1)研制开关速度更高，开关时间更短的功率器件，用降低单脉冲能耗来抑制高频工况下开关损耗的上升。2)改善器件所在电路的开关环境，借以用现有的器件来实现高频工况下的低开关损耗。6.1.2高频工况下电路开关环境的比较1)高速开关所产生的电流和电压过冲将有可能使器件运行轨迹超越其SOA而危及器件安全。2)器件开关损耗增加并使电路效率下降。3)过高的电压和电流变化率将产生严重的电磁干扰(EMI)。6.1.3软PWM开关电路的分类(1)缓冲型电路在电路中附加无源或有源低耗型缓冲电路，从而改变器件开关轨迹并实现ZVS/ZCS。(2)控制型电路主要依靠合理安排控制极脉冲的时序促使电路具有ZVS/ZCS环境。(3)直流谐振型电路附加钳位电路将直流电压改造成高频脉冲列并使器件的开关状态仅在直流电压的零压期进行更迭，从而实现ZVS。6.1.4PWM软开关电路存在的问题1.可靠性为实现软开关，目前的普遍做法是在电路中附加无源或有源电路，而这些电路无论从结构和原理都与SCR电路中的辅助换流电路十分相似(原因详后)，这自然增加电路的复杂程度，并将全控型电路无换流电路的优点完全断丧，从而降低系统的可靠性。2.效率和EMI问题对软开关电路的效率和EMI水平进行比较实验研究的结果表明，软开关电路的实际效率和EMI水平与期望值差别较大，原因是主电路器件由于软开关所减少的开关损耗中，一部分被附加电路产生的各种损耗所抵消；与此相仿，尽管主电路器件的电压和电流变化率都明显下降，与之对应的EMI也相应减低，但由于附加电路的谐振频率远高于PWM的载波频率，因此附加电路会产生大量的噪声，这一点在以往工作中常被忽视。6.2缓冲型PWM软开关电路6.2.1缓冲型PWM软开关电路的分类6.2.2分立式缓冲型软PWM电路6.2.3单相式缓冲型软PWM电路*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路6.2.1缓冲型PWM软开关电路的分类图6-1换流电路与缓冲电路的比较a)带有源换流电路的SCRBuck电路b)带有源缓冲电路的IGBTBuck电路6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-2ZVS-PWM-Boost电路a)主电路结构b)～f)电量波形g)时区编号6.2.2分立式缓冲型软PWM电路图6-3图6-2各时区的等效电路第6章PWM软开关电路6.1概述6.2缓冲型PWM软开关电路6.3控制型PWM软开关电路6.4直流谐振型PWM软开关电路6.2.3单相式缓冲型软PWM电路图6-4带无源单相式缓冲电路半桥逆变电路a)主电路b)电量波形c)～e)各时区等效电路1.无源单相式缓冲电路6.2.3单相式缓冲型软PWM电路图6-5有源单相式缓冲型软PWM单相半桥逆变电路2.有源单相式缓冲电路在单相半桥式逆变电路中的应用6.2.3单相式缓冲型软PWM电路图6-6主电路电量波形a)重载下电量波形b)轻载下电量波形6.2.3单相式缓冲型软PWM电路图6-7图6-6中各时区的等效电路6.2.3单相式缓冲型软PWM电路表6-1HSINV与SFSINV性能比较6.2.3单相式缓冲型软PWM电路3.有源单相式缓冲电路在其他桥式逆变电路中的应用6.2.3单相式缓冲型软PWM电路图6-9有源单相式缓冲电路的其他形式a)带有源换流电路的SCR半桥式逆变电路b)带有源缓冲电路的IGBT半桥式逆变电路*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路图6-10集中式缓冲型三相软PWM逆变电路(续)b)换流过程中的电量波形1.单有源开关电路*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路图6-11各个电压空间矢量所代表的电路开关状态*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路图6-12图6-10b中各时区的等效电路*6.2.4集中式缓冲型软PWM电路图6-13双有源开关电路2.双有源开关电路第6章PWM软开关电路6.1概述6.2缓冲型PWM软开关电路6.3控制型PWM软开关电路6.4直流谐振型PWM软开关电路*6.3.1高频感应加热用移相式谐振逆变电路2.移相控制方式的选择图6-15单相桥式逆变电路控制脉冲时序a)主电路b)方波电路时序c)移相方式一时序d)移相方式二时序*6.3.1高频感应加热用移相式谐振逆变电路3.单脉冲PWM的调功原理分析图6-16不同移相方式下的调功特性Ⓐ—移相方式一Ⓑ—移相方式二*6.3.1高频感应加热用移相式谐振逆变电路4.ZVS环境的实现图6-17ZVS-PWM谐振式逆变电路*6.3.1高频感应加热用移相式谐振逆变电路图6-18ZVS-PWM谐振式逆变电路的电量波形*6.3.1高频感应加热用移相式谐振逆变电路图6-19逆变桥各臂关断电流与移相角β的关系曲线a)基准臂b)移相臂6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-20移相式高频链软PWM逆变电路(续)b)主要电量波形6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路1)采用移相控制方式(按图6-15c所示的移相方式——安排各桥臂控制栅压ug1～ug4的时序)，由图6-20b可见，ug3和ug2分别滞后于ug1和ug4一段时间τ，由VG1和VG4组成的桥臂称为引前臂，而由VG2和VG3组成的桥臂称为滞后臂。2)在图6-20a的点划线框内加入缓压电容CS1～CS4(含器件寄生电容)和谐振电感LS(含变压器漏感)，这些元件均为了协助主电路实现ZVS。6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-21图6-20b中各时区的等效电路1.基本型移相式软PWM逆变电路原理分析6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-22带有源缓冲电路的移相式软PWM逆变电路a)主电路b)主要电量波形2.电路的特点及存在问题6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-23图6-22b中部分时区的等效电路3.带有源缓冲电路的移相式软PWM逆变电路6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-24带饱和电感的移相式软PWM逆变电路a)主电路结构b)主要电量波形6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-25图6-24b中各时区的等效电路第6章PWM软开关电路6.1概述6.2缓冲型PWM软开关电路6.3控制型PWM软开关电路6.4直流谐振型PWM软开关电路6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路表6-2ZVS/ZCSPWM全桥式间接DC/DC变换电路及性能参数6.3.2移相式高频链软PWM逆变电路图6-26实测整机效率曲线6.4直流谐振型PWM软开关电路6.4.1SCR集中换流电路6.4.2直流谐振环的基本结构及其存在问题6.4.3有源钳位直流准谐振环6.4.4并联式有源钳位直流谐振环6.4.5谐振型单相软PWM逆变电路6.4.1SCR集中换流电路(1)电路初态逆变桥中有VT1、VT2和VT3处于通态，CS端压ucS=Ud，辅助桥中VT2A和VT4A处于正向阻断状态，逆变桥输入电流id=iβ=iT1+iT3=Id，逆变入端点b与c之间电压ubc=Ud。(2)电路终态如上述，换流将在VT1与VT4之间进行，也即在换流结束之后，逆变桥中应有VT2、VT3和VT4处于通态。6.4.1SCR集中换流电路图6-27带集中换流电路的SCR三相逆变电路a)主电路结构b)主要电量波形6.4.1SCR集中换流电路(3)换流过程在图6-27b中，当t=t+时，VT2A和VT2B的控制极触发脉冲同时出现，即ug2A＞0，ug4A＞0，VT2A和VT4A受命导通，逆变桥入端电压突降，即ubc=-Ud，该电压沿VD4和VD6分别加到VT1和VT3的阴极和阳极，使uT1=uT3=-Ud，这样原来流经VT1和VT3的阳极电流迅速移入辅助桥，iβ=0，VT1和VT3进入反向恢复期，由LS1和CS组成的谐振电路沿直流电源流过电流iCS。6.4.2直流谐振环的基本结构及其存在问题图6-28带直流谐振环的三相逆变电路a)主电路b)等效电路c)电量波形6.4.3有源钳位直流准谐振环图6-29有源钳位式直流准谐振环a)主电路结构b)电量波形6.4.3有源钳位直流准谐振环图6-30图6-29b中各时区的等效电路6.4.4并联式有源钳位直流谐振环图6-31并联式有源钳位直流谐振环a)主电路b)电量波形6.4.4并联式有源钳位直流谐振环图6-32图6-31b中各时区的等效电路6.4.5谐振型单相软PWM逆变电路1)图6-31a中的电流型负载用单相电压源逆变电路替代，后者带感性负载并有L0≫Lr。2)都采用并联式有源钳位直流谐振环以实现ZVS。3)图6-33a点划线框Ⓐ中无低钳位开关VGr和VDr(如图6-31a所示)，这是因为在实用中，尤其是逆变电路采用IGBT等快速功率器件时，VGr和VDr可利用桥臂中器件替代。4)缓压电容CS1～CS4兼作谐振电容：各桥臂并联缓压电容的目的是为了实现ZVOFF，其实这些电容可看成是将谐振电容Cr分散到各桥臂中兼作缓压电容，这样做的好处是可以在高钳位期的任一PWM关断点上实现器件的ZVOFF，于是在低钳位期中逆变桥中只需要进行PWM的开通点操作(ZVON)就可以保证电路实现ZVS。6.4.5谐振型单相软PWM逆变电路图6-33谐振型单相软PWM逆变电路a)主电路结构b)电量波形