基于软开关技术逆变系统设计毕设论文.docx

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基于软开关技术逆变系统设计毕设论文

编号

河南机电高等专科学校

毕业设计（论文）

基于软开关技术 逆变系统

系部：

自动控制系

专业：

电气自动化

班级：

113

学生姓名：

学号：

指导教师：

二零一四年四月

摘要

本文针对硬开关型逆变器研究存在开关损耗大、频率进一步提高困难等问题，介绍和研究了开关损耗小、频率更高的软开关型弧焊逆变器，并着重讨论了相移控制串联谐振式零电压零电流软开关全桥逆变的原理、特点以及它如何利用高频变压器漏感实现超前桥臂的零电压开通和利用隔直流电容实现滞后桥臂的零电流关断，此外，还对软开关的技术特点进行分析和讨论。

相移逆变电路的全桥电路把软开关技术和PWM控制技术有机结合在一起，从而在大范围内实现PWM控制，而在功率器件的换流期间实现功率器件的零电压软开关技术，降低了开关损耗，减少了由于密勒效应引起的干扰现象，并且系统的体积和重量得以减少，功率器件所承受的开关应力也小，具有很大的优越性。

对比分析表明，软开关型比硬开关型更具有优越性和更值得推广使用。

关键词：

硬开关型逆变器；软开关弧焊逆变器；零电压零电流；PWM控制；相移控制串联谐振

Abstract

Thisarticleinviewofthehardswitchtypeinverterstudiesinswitchloss.Frequencytofurtherimprovethedifficulty,andintroducedtheresearchswitchullagesmall,frequencyhighersoftswitchtypearcweldinginverter,andemphasizesthephaseshiftcontrolseriesresonantzerovoltagezerocurrentsoftswitchthewholebridgeoftheinverterprinciple,characteristicandithowtousehighfrequencytransformerleakageareaheadofthearmsofthebridgerealizezeroopenandusethedcvoltageletrealizethearmsofthezerocurrentlagbridgeturnedoff,inaddition,alsowithsoftswitchtechnologycharacteristicsareanalyzedanddiscussed.PhaseshiftinvertercircuitsofthewholebridgecircuitofthesoftswitchtechnologyandPWMcontroltechnologyincombinationwith,largescalerealizePWMcontrol,andinthepowerofthedeviceduringthecommutationrealizepowercomponentszerovoltagesoftswitchtechnology,andtoreducetheswitchloss,reducetheeffectoftheinterferencecausedbymillerphenomenon,andthesystemthebulkandweightbereducedpowercomponentsareunderstressswitchissmall,havealotofadvantages.Contrastanalysisshowsthat,thesoftswitchtypethanthehardswitchtypehasmoreadvantagesandmoreisworthpopularizing.

Keyword：

Hardswitchingtypeinverter;Softswitcharcweldinginverter;Zerovoltagezerocurrent;PWMcontrol;Phaseshiftcontrolofnetwork

第1章绪论

开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。

因此，近年来获得了迅速发展并广泛地应用于计算机、通讯设备、控制装置及家用电器等电子设备中。

目前，各国正在努力开发新器件、新材料以及改进装配方法，进一步提高效率、缩小体积、降低价格，以解决开关电源面临的新课题，即环境适配性，包括噪声与谐波等的电磁适配性，同人类之间的安全适配性等。

十多年来，以半导体功率器件为核心的PWM变频调速以无可抗拒的势态逐步取代着支流调速，并在产业的各个领域获得广泛应用，为提高产品产量、质量、生产过程自动化，节能和提高生活质量起了重要作用。

为使开关电源轻、小、薄，发展趋势是高频化。

而高频化使传统的PWM开关功耗加大，效率降低、噪声增加。

因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。

美国VICOR开关电源公司设计制造的多种ZCS软开关DC|DC变换器系列，已经商品化。

加拿大北方电信公司已经开发了全桥软开关PWM通信用一次电源。

近30年来，开关变换技术经过了一个有“硬”至“软”的过程。

众所周知，为了提高电源的可靠性，需要尽可能的减少损耗，降低功率管的温升，减少功率管承受的电压应力和电流应力。

但对“硬”开关而言，由于损耗的存在，功率管的温升、电压和电流应力不可能太低，这样不仅整机效率下降，对电源的可靠性带来非常不利的影响。

在这种情况下，零电压零电流ZVS—ZCS技术（即“软”开关技术）应运而生！

本文将主要介绍软开关在弧焊电源中的应用。

弧焊电源的功率器件以模拟式或开关式进行工作和控制，在开关式弧焊电源中有硬软型之分。

硬开关型弧焊电源大多采用PWM控制技术，其功率器件工作在被强迫关断（电流不为零）或强迫导通（电压不为零），由于电路存在寄生电容和寄生电感，导通和关断时有时是工作电流、电压值不为零，甚至较大值的状态，所以开关损耗大，此耗损随着频率增加正比增加，这一损耗不仅大大降低电路的效率，甚至使电路工作不能正常。

为此，国内外学者专家针对存在着的这个问题，又研究和开发了软开关型弧焊电源。

采用软开关技术可以防御电磁干扰（EMI），采用PWM变流技术可抑制谐波。

而软开关PWM变流技术则是上述两者优点的综合。

而软开关型采用的是谐振变流技术。

特点是功率器件在零电压或零电流条件下自然开通或关断。

从本质上克服硬开关弧焊电源的缺点，在较大程度上解决功率开关耗损过大的问题，并降低功率器件du/dt和di/dt，减少电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），降低了逆变器的重量，提高频率，减少电路中变压器、电感、电容的体积，降低输出纹波，提高功率密度和系统动态性能。

因而，软开关技术尤其是在弧焊逆变器中的应用越来越多，从而使弧焊电源的水平又上了一个新台阶。

软开关型弧焊逆变器是一种有较大发展和应用前景的软开关型弧焊电源，本文将以它为代表进行重点的讨论。

第2章软开关技术基础

2.1引言

使用半导体功率器件的电力变换器正朝着高频化发展，并得到越来越广泛的应用。

但是电力变换技术的进步和电力变换器的广泛应用也带来了电力公害，并已成为世人关注的社会问题。

高频化和大容量化使装置内部电压、电流发生巨变，不但使器件承受很大的电压电力应力，还在装置的输入输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备的误动作，这种公害称为电磁干扰（ElectroMagneticInterference-----EMI）。

另一种公害是谐波，装置的输入电流波形严重失真，该波形里含有大量谐波，不但降低了电网成为一个重要课题。

作为防御措施一般是，前者采取软开关（SoftSwitching）技术，的功率因数，还给同电网的其他电气设备造成故障。

如何防御EMI和抑制谐波已后者采用PWM变流技术，而软开关PWM变流技术则是上述两者优点的综合。

2.2PWM脉宽调制原理

脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

　　在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。

冲量既指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同。

是指该环节的输出响应波形基本相同。

如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

　　根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于∏/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

　　在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

　　根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。

按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形

2.3开关与损耗

2.3.1软开关发展的三阶段

软开关技术的发展经历过高频逆变器、缓冲电路和谐振开关三阶段。

负载带有谐振电路的逆变器称为正弦波逆变器或高频逆变器。

晶闸管时代，高频逆变器作为开关损耗少的逆变器著称，与整流电路组合一起的高频环节DC-DC变流器可算是最早实用化的软开关技术。

为了避免器件损坏或误动作，可使用抑制du/dt、di/dt的电压缓冲器和电流缓冲器。

利用缓冲器，器件本身的开关损耗能减少，并能实现软开关动作。

缓冲电路进一步发展，把电容和电感里积蓄的能量回馈到电源，称为无损耗缓冲器。

近年来，人们开始注意电动机控制用低频大功率的软开关技术。

开关器件与谐振器结合构成谐振开关，即用软开关器件代替单个的半导体开关。

1966年R.E.Morgan用晶闸管做过软件仿真，既当今的ZCS。

1975年N.O.Sokal提出“E级放大器”，使用两个谐振器，使导通与关断时的du/dt、di/dt、为零，对器件来说成为理想的软开关。

1984年开始，F.C.Lee对零电流开关、零电压开关进行了一系列研究，并起名为准谐振变流器，引起人们的共同重视。

当时在小型DC-DC变流器上应用，开关频率为0.5~2MHz，功率密度为100W/（50×50×6）mm3。

复式谐振变流器（MRC）对于降低噪声很有效。

2.3.2软开关损耗

弧焊电源的功率器件以模拟式或开关式进行工作和控制，在开关式弧焊电源中有硬软型之分。

硬开关型弧焊电源大多采用PWM控制技术，其功率器件工作在被强迫关断（电流不为零）或强迫导通（电压不为零），由于电路存在寄生电容和寄生电感，导通和关断时有是工作电流、电压值不为零，甚至较大值的状态，所以开关损耗大，此耗损随着频率增加正比增加，这一损耗不仅大大降低电路的效率，甚至使电路工作不能正常。

为此，国内外学者专家针对存在着的这个问题，又研究和开发了软开关型弧焊电源。

以软开关工作方式的谐振变流技术，从控制方式上分有变频控制和恒频控制两种，变频控制电路分析、设计麻烦且控制复杂，易受干扰，输出范围小，磁性元件利用率不高。

恒频控制在常用PWM的基础上，在逆变主电路中串入谐振电感Lr和谐振电容Cr，利用控制系统中移相方波驱动开关器件，依靠反并联二极管的续流，实现功率器件的软开关控制。

在全桥逆变主电路中，使对角线上的功率开关器件不同的开关和关断，而是错开一个时间间隔，以实现零电压开通或零电流关断，并调节桥路占空比来时间输出电压或电流的控制。

这种控制方式参数设计比较便。

输出范围大，电路结构也相对简单。

本章小结

本章主要介绍了软开关发展历程以及软开关逆变的技术基础，即PWM脉宽调制原理，同时介绍了电力电子技术的发展方向，也介绍了软开关发展的三个阶段及软开关的损耗。

第3章软开关的分类

3.1软开关型逆变主电路

目前常见的软开关型逆变主电路基本形式：

1零电流开关（ZCS）谐振逆变主电路；

2零电压开关（ZVS）谐振逆变主电路；

3多谐振（MRC）逆变主电路；

4串联谐振逆变主电路；

5并联谐振逆变主电路；

6E类逆变主电路

7直流母线谐振逆变主电路；

8移相控制谐振逆变主电路；

3.2基本的软开关逆变主电路介绍和了解

3.2.1零电流开关（ZCS）谐振逆变主电路

如图3-1a所示，零电流开关是指通过辅助的LC谐振元件、整型功率器件上的电流波形，使得功率器件在零电流的条件下自然关断，实现器件的自然换流。

零电流开关技术的优点在于降低了器件的关断损耗，对具有少子导电的功率器件如IGBT、BJT等等，效果很好。

此外，由于谐振电路的配置关系，使得电路对分布参数的敏感性降低。

其缺点是流过有源开关的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值和电流峰值，另外，谐振电路的环流也产生了附加的导电损耗。

在开通时，断态时存在于器件输出电容的能量，在器件内部损耗掉，影响高频工作时的效率。

大电压开通时的di/dt经密勒电容与门极驱动电路耦合，引起对门极电路的干扰。

3.2.2零电压开关（ZVS）谐振逆变主电路

如图3-1b所示，零电压开关是指通过辅助的谐振元件电感和电容，整型功率器件上的电压波形，使得功率器件的输出电容电压在器件开通前降为零，为元件的开通创造零电压条件，并消除器件寄生输出电容相关的开通损耗，使得开关频率大大提高。

但是ZVS有两个缺点，一个缺点是器件过大的电压应力，此应力与电压范围成正比，使得很难实现负载大范围的ZVS。

另一个缺点是由与谐振电容一起谐振的整流二极管引起，若是阻尼振荡，则在高频下一起过大的损耗，若是非阻尼振荡，则对逆变器的电压增益有一定的影响，因而可能引起闭环振荡。

3.2.3多谐振（MRC）逆变主电路

如图3-1c所示，多谐振逆变主电路是指在一个开关结构中综合零电压与零电流开关的特性，谐振电容既与开关器件并联，又与二极管相并联，把开关器件和二极管都形成零电压开关，其主要优点是把所有的主要的寄生参数（功率器件的输出电容，二极管的结电容和变压器的漏感等等）都并入谐振电路内，使得电路中的器件均在零电压时导通，从而降低了开关损耗，提高了工作效率。

以上三种电路缺点是调频工作时，器件所受的电压电流应力大。

a）ZCSb）ZVSc）MRC

图3-1零电流，零电压，多谐振开关电路

3.2.4串联谐振逆变主电路

如图3-2所示，串联谐振逆变主电路原来是为了功率开关器件自然换流而使用的。

电感L、电容C、功率器件和负载串联在一起形成一个欠阻尼电路，由于电路是欠阻尼的，引起震荡，这样流过功率开关的电压出现自然过零现象。

所以，串联谐振逆变电路比较合适于恒定负载的电路，在串联谐振逆变电路中，开关器件本身可以是反向二极管，既双向开关；也可以是单向开关。

图3-2a、b分别为半桥串联谐振逆变电路和全桥串联逆变电路。

a）半桥串联谐振逆变电路b）全桥串联谐振逆变电路

图3-2串联谐振逆变电路

3.2.5并联谐振逆变主电路

在串联谐振逆变主电路中，电感L、电容C、功率开关、负载是串联在一起的。

而在并联谐振电路中，负载是与电容C并联在一起的。

电路也是欠阻尼的，使得流过开关器件的电流自然过零实现零电流开关。

在晶闸管中频炉常常采用这种方法实现晶闸管的自然换流，如图3-3a、b分别以半桥并联的谐振电路和全桥并联的谐振逆变电路。

可以看出，无论是串联谐振逆变电路还是并联谐振逆变电路，其输出功率的调节是依靠调节频率来进行的。

由于电路中的电流或电压是正弦的，电路中功率器件受到很大的应力，与电路的Q值成正比。

a）半桥并联的谐振电路b）全桥并联的谐振电路

图3-3并联谐振逆变主电路

3.2.6E类逆变主电路

E类逆变主电路是与E类放大电路改进并由串联谐振逆变改型而成。

其电路如图3-4所示，E类逆变主电路的优点是消除开关损耗，减少电磁干扰。

主要缺点是有较大的峰值电流流过开关，开关器件承受较大的电压应力。

图3-4E类逆变主电路

3.2.7直流母线谐振逆变主电路

1986年，美国威斯康星大学的D.M.Divan教授提出“谐振直流环逆变器（谐振环）的概念”，对于软开关技术应用逆变器起了很大的推动作用。

在直流输出端和逆变器之间接入一个LC振荡电路，这样具有恒定直流电压的母线变成一个高频直流脉动或高频交流母线，从而在母线上出现电压过零现象，挂在这样母线上的逆变器又派生出很多新的拓扑结构。

谐振直流环逆变器基本电路如图3-5所示，利用谐振元件Lr和Cr及谐振控制开关VT1在逆变器的输入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换为一系列高频脉冲电压供给逆变器，其优点是整流、谐振、逆变三种功能组合电路，功率器件实现零电压开关条件与负载无关，易于控制。

a）逆变器电路

b）

b）波形图

图3-5谐振直流环逆变器电路和波形

谐振直流环逆变器的主要缺点是：

1直流环节振荡电压幅值较大，一般为两倍以上的电源电压。

2为了使L、C振荡电路每次过零点，需设置附加电路补充振荡电路的能量损耗，以提供足够的能量使振幅值过零点。

3由于只能在U=0时，才能切换开关状态。

谐振直流环逆变器只能采用离散脉冲调制的方法来控制。

3.2.8相移控制的全桥逆变主电路

相移控制全桥软开关的逆变主电路是在PWM全桥逆变主电路基础上发展起来的。

由于其开关频率恒定，在大范围内实现PWM控制，而在功率开关器件换流瞬间实现软开关换流，减少了开关损耗，降低硬开关造成的干扰，提高了系统的可靠性，相移控制全桥开关逆变电路综合了PWM控制技术的优点和软开关的优点，所以其一出现，便受到了人们的青睐。

相移控制的全桥逆变主电路，是利用主电路功率器件本身的二极管导通时，开通功率器件，实现零电压开通的，主电路根据控制信号的不同，分为超前桥臂和滞后桥臂，两者工作情况不同。

相移控制的全桥逆变电路主电路和驱动信号时序如图3-6所示，其详细情况下面将会介绍。

根据导通的次序，VT1、VT3称为超前桥臂，VT2、VT4称为滞后桥臂。

以上各种各样的软开关逆变主电路的应用，能够使得功率器件的开关轨迹大为改变，拓宽功率器件的安全工作区，降低了开关耗损和过大的du/dt和di/dt现象，减少干扰，克服了常规硬开关型逆变电路的缺点，但同时也带来新的问题，主要有以下方面：

①由于大多数软开关电路是依靠L、C振荡使得电路产生零电压或零电流开关条件的，L、C振荡所产生的正弦波具有较高的电压或电流的有效值，通常会使导电耗损有所增加，功率器件所受的电压与电流的应力都要不相应的硬开关PWM逆变功率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Q值和负载变化而变化。

②大多数软开关电路均是依靠改变开关频率来改变逆变器的输出，开关频率大范围变化使得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制。

③由于用调频来调节输出，负载变化大时，相应的电压和电流调节范围比相应的PWM逆变电路窄，超前一定范围后,逆变电路不能达到零电压或零电流开关条件，不能达到满载（短路）或空载，由于存在以上种种问题。

迄今为止，应用较好的例子基本不变或变化不大的各种电路。

a）相移控制主电路b）驱动信号时序图

图3-6相移控制主电路和驱动信号时序图

本章小结

本章详细介绍了软开关型逆变主电路的主要分类，针对硬开关型弧焊逆变器研究存在的开关损耗、频率进一步提高困难等问题，介绍研究了开关损耗小，频率更高的软开关弧焊器，并着重讨论了相移控制串联谐振式零电压零电流软开关全桥弧焊逆变器的原理、特点等。

第4章零电压零电流PWM移相控制

4.1软开关型全桥逆变电路的拓扑结构

目前，由于历史的原因，弧焊逆变器大多数采用单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路。

一个合理的构造软开关型弧焊逆变器的思路，就是在这三种电路的基础上构造出来的。

合理的软开关型逆变电路的研究方向，应该是综合PWM控制技术逆变电路及软开关技术的优点。

理想的软开关逆变器应该是实现了开关频率恒定，而在功率器件换流阶段，实现功率器件的软开关换流（零电压或电流开通和关断）。

开关频率恒定，以利于与频率有关的器件，如变压器、电感、电容的优化设计，并且可以避免以调频方式调节输出功率时，主电路功率器件所受的过大的开关应力，而软开关技术的使用则避免硬开关电路的缺点。

4.1.1单端软开关型逆变主电路

对采用单端正激或单端反激为主电路的逆变器来说，可以采用零电压（ZVS）或零电流（ZCS）技术来实现软开关逆变技术，但采用辅助的电感和电容来达到零电压或零电流的开关条件会增加电路的复杂性。

电路的逆变调节使得电压或电流的应力较大。

4.1.2软开关型全桥逆变主电路

为了使输出功率能够够大，逆变器主电路结喉往往采用全桥逆变电路。

目前适合采用软开关技术的全桥逆变电路有：

①全桥串联谐振逆变电路；②全桥并联谐振逆变电路：

③高频直流谐振环逆变电路；④移相控制全桥逆变控制电路。

全桥逆变电路的主电路如图4-1所示，实现软开关即是实现功率器件VT1、VT2、VT3、VT4的零电压开关或零电流开关，有根据负载方式实现零电压或零电流开关的，这就是全桥谐振逆变电路，全桥并联谐振逆变电路以及它们的组合电路，也有根据控制方式实现功率器件的软开关逆变技术的，移相控制全桥逆变控制电路就属于这种方式。

（1）全桥串联、并联谐振逆变主电路

对全桥串联逆变主电路而言，既可以实现零电压开关，又可以实现零电流开关，具体的情况要根据开关频率和负责的情况来决定，其基本原理如下：

假设在一定的频率下，保证负载是感性，感性负责电压超前电流。

在逆变过程中，换流是在桥臂之间进行，关断VT1、VT2时，电流转移到VD3、VD4（如全桥逆变PWM主电路），详细通断和换流过程将在下面结合移相电路一起介绍。

VT1、VT2，VT3、VT4均可以实现零电压开通，如果负载是容性负载，则由于容性负载电流超前电压，换流是在桥臂内部完成，既是电流从VT1、VT2转移到VD1、VD2，所以VT1、VT2、VT3、VT4均可实现零电流关断，这也是中频晶闸管加热炉常常采用容性负责方法使晶闸管自然关断方法，以上是采用负载谐振来实现功率器件软开关的方法，输出功率调节主要依靠调节频率来调节，需要有的范围线性度好的压控谐振器（VCO），电路汇总器件所受的应力与电路的Q值成正比例。

图4-1全桥PWM逆变主电路

（2）半桥串并谐振逆变电路