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第6章谐振开关电路与电力公害抑制6.1谐振开关电路6.1.1开关模式变换与谐振开关模式的比较电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产牛开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。加入缓冲电路后减少了器件的开关损耗。但实际上，总的损耗并没有降低，只是器件的部分损耗转移到缓冲电路中了。图6-2不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线谐振开关技术在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开关过程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和开关噪声。图6-2(c)给出了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。目前数兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸30-50W，效率大于80％。6.1.2谐振变换器的分类根据拓扑结构和谐振开关方法将谐振变换器划分为3种变换器模式。1.负载谐振变换器谐振电路既可采用串联L-C谐振电路，也可采用并联L-C谐振电路。通过L-C的谐振，使变换器的开关在零电压与/或零电流时通断。通过控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。2.准谐振变换器L-C谐振能够提供给变换器上的电力电子器件合适的开关电压与电流波形，使器件在零电压与／或零电流下通断。准谐振式变换器主要分为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器3.谐振直流环逆变器在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud是一个幅值固定的直流电，通过开关型PWM获得交流输出电压。在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之间加入谐振电路，利用L-C谐振使逆变器的输入电压围绕Ud形成振荡，使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在这段时间内控制电力电子器件通断的状态，从而实现了零电压通断。谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。6.1.3零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振Buck变换器(ZCS-QRC)有L型和M型2种，在L型准谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图6-3(a)所示；若开关器件允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”，其电路如图6-3(b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容Cr与二极管VD并联，而谐振电感Lr与开关管串联。在T0时刻以前，开关管VT处于关断状态，输出滤波电感Lf与二极管VD构成续流通道，流过负载电流Io。谐振电感Lr中的电流为0，谐振电容Cr电压也为0。1.电感充电阶段[T0，T1]在t＝T0时刻，开关管VT开通，VT上的电压迅速下降到零后，谐振电感中的电流开始按直线上升，直到t=T1。等值电路如图6-3(c)所示。2.谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时，谐振电感Lr中的电流iLr＝Io，二极管VD在零电压下关断。Lr和Cr进入谐振状态，Lr中的电流iLr继续增加，谐振电容Cr的充电电流是(iLr-Io)。当Lr电流下降到iLrIo时，Cr放电，放电电流逐渐增大，而iLr仍逐渐减少。等值电路如图6-3(d)所示。3.电容放电阶段[T2，T3]对于半波工作模式，在t＝T2时，iLr＝0，开关管VT自然关断，这时谐振电容Cr通过负载放电，并维持放电电流为Io，因此Cr上的电压线性下降。在t＝T3之后，电容电压下降到零。等值电路如图6-3(e)所示。4.续流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，谐振电容Cr上的电压下降到零，续流二极管VD在零电压下导通，负载电流Io通过二极管VD续流。等值电路如图6-3(f)所示。L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图6-4所示。在ZCS中，要求开关通过一个比负载电流Io大Ud/Zo的峰值电流。开关在零电流时自然关断，负载电流Io不应超过Ud/Zo。所以这里有一个限制，即负载电阻可以低到什么程度的问题。通过与开关反并联一个二极管，可使输出电压对于负裁变化不再那么敏感。6.1.4零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2种电路。若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波模式，其电路如图6-5(a)所示；若开关器件能承受双向电压，则ZVS-QRC工作于全波模式，其电路如图6-5(b)所示。在ZVS-QRC中，谐振电容Cr与开关管并联，谐振电感Lr与二极管VD串联。在T0时刻以前，开关管VT处于导通状态，VD已关断，滤波电感Lf与谐振电感Lr流过负载电流Io，谐振电容Cr电压也为0。1.电容充电阶段[T0，T1]若在t＝T0时刻，使开关管VT断开，以电流Io向谐振电容Cr充电，因此，Cr上电压按直线规律上升，直到uCr＝Ud为止。等值电路如图6-5(c)所示。2.谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时刻，VD管导通，这时Lr和Cr进入谐振状态。对于半波工作模式，在t＝T2时刻,uCr电压被箝位于零。对于全波工作模式，电容上电压继续朝反向振荡，并在t＝T2时刻反向回零。在这期间的电感电流iLr下降到零后反向。等值电路如图6-5(d)所示。3.电感充电阶段[T2，T3]在t＝T2之后，电感电流直线上升，并在t＝T3时刻达到Io。通常，对于半波工作模式，开关管在T2之后和电感电流iLr变正之前这段期间被激励导通，否则将损失零电压关断条件。对于全波工作模式，开关管VT可在uCr电压为负期间加上激励信号。等值电路如图6-5(e)所示。4.恒流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维持到t＝T4时刻。等值电路如图6-5(f)所示。ZVS-QRC中的工作波形在ZVS中，要求开关承受一个比Ud高IoZo的正向电压。开关在零电压开通时，负载电流Io必须大于Ud／Zo，所以，如果输出负载电流Io在一个很大的范围内变动，则上述两种情况会在开关上产生一个很大的电压值。所以，这个方法限于应用在基本上是恒定的负载上。为克服这一限制，在有关参考文献中介绍了一种零电压通断的多谐振技术。通常，在高通断频率时，ZVS比ZCS更可取，原因在于开关的内部电容。当开关在零电流但在一定电压下闭合时，内部电容上的电荷耗散在开关中。当通断频率很高时，这种损耗变得很大。但是，如果开关是在零电压时闭合就不存在这种损耗。从上述的电路分析可知，开关准谐振变换器可以有效地降低器件的开关损耗，使得ZCS-QRC的实际工作频率达到1-2MHz，ZVS-QRC的实际工作频率达到10MHz，但器件的电压或电流应力都比较大，这是一个缺点，也是应用中一个重要的限制因素，值得进一步研究。6.1.5谐振直流环逆变器谐振直流环逆变器是将谐振电路连接在直流输入电源和PWM逆变器之间，当谐振电路工作时，逆变器的端电压在零和直流输入电源电压之间振荡，从而实现逆变器的零电压关断。在采用谐振直流环的软开关技术以后，解决了变流器中电力电子器件在硬开关工作中所引起的电磁干扰、开关损耗大等问题。在三相PWM变流器方面得到广泛应用。虚框内为桥式并联谐振网络，它由主开关管VT0(VD0)，谐振开关管VTa、VTb、VDa、VDb及谐振电感Lr组成。1.谐振直流环的结构三相逆变器开关器件两端并联的电容可以等效为逆变器两端的电容C。则在VT0、VTa、VTb通断，形成Lr、C谐振过程中就能使电容C两端直流电压为零值，从而在主开关器件VT1—VT6需要改变开关状态时，产生零电压开通和零电压、零电流关断的条件。该拓扑具有以下特点：(1)逆变器开关器件可以选择在任何时刻通断，谐振可以在任何时刻进行，便于和逆变器VT1—VT6开关器件的PWM控制同步。(2)所有开关器件承受的电压应力不超过Ud。(3)谐振电路的开关动作均在零电压条件下进行。(4)谐振电感Lr不在主回路能量传递通道上，逆变器不换流时Lr不工作，Lr仅用作谐振时的储能元件。(5)谐振电容和每个主开关器件并联，因此，可以利用器件本身的寄生电容作谐振电容或者作为谐振电容的一部分。图中的所有元器件均假设为理想的，谐振电感Lr远小于负载电感。LrC谐振周期很短，因此，在一个谐振周期中，带有三相感性负载的逆变器从直流母线侧来看可以等效为一恒定的电流源Io，直流电源电压为一个理想的电压源Ud，忽略Lr、C的损耗。因此工作过程可以用图6-8(a)的等值电路来分析。(1)稳态供电阶段[T0，T1]。在该阶段，开关管VT0处于通态，等效电路如图6-8(b)所示，VTa、VTb断开，直流电源Ud经过VT0给负载传送能量，电路处于稳定状态，谐振电路不工作。在此阶段谐振电感的电流为零，谐振电容电压uc=Ud，这个阶段的持续时间取决于逆变电路的PWM控制所需的交流输出电压波形的稳定状态的持续时间。一个完整的谐振开关过程，按电路的状态可划分为7个阶段(2)能量补充阶段[T1，T2]。在T1时，使VTa和VTb导通，由于Lr的初始电流为零，uc=Ud，VTa、VTb开通时由于与电感Lr串联因而是软开通。VTa、VTb开通后，Lr的电流线性增加，到达T2时刻时，iLr增加到某一阈值IT，IT使Lr具有足够的能量，维持Lr、C谐振电路完成谐振过程，使电容电压uc谐振过零。在能量补充阶段，由于VT0还在导通，谐振电容电压一直保持为uc=Ud。忽略VTa、VTb的开通时间，谐振电感Lr的电流从零到达IT所需时间dTr12TTUIL(3)谐振阶段1[T2，T3]。在T2时，使VT0关断，等效电路如图6-8(d)所示。这时由于uc=Ud，所以VT0的端电压是零，VT0在零电压关断条件下关断，此后Lr和C开始谐振，在谐振阶段1中，谐振电容的放电电流为Io+iLr，到T3时刻，谐振电容放完所有电量，其两端电压为零。(4)环流阶段[T3，T4]。在T3时，VT0已断开，uc=0，iL经VTa、VDb和VTb、VDa续流，等效电路如图6-8(e)所示。在这段时间中使逆变器开关管导通和关断，可使逆变器开关器件在零电压下换相，这段时间的长度取决于逆变桥中开关管的状态转换时间。(5)谐振阶段2[T4，T5]。在T4时，关断VTa、VTb，谐振电感电流iL经VDa、VDb供电给电容C及负载Io，等效电路如图6-8(f)所示。在该阶段的初始时刻T4，逆变桥中开关管的状态转换已完成，关断VTa、VTb时，uc=0，因此VTa、VTb在零电压下关断，电感Lr和电容C重新开始谐振，电容电压uc从零谐振上升直到重新达到Ud。(6)箝位回馈阶段[T5，T6]。在T5时，电容电压uc已上升到Ud，由于电感电流iLr大于负载电流，因此将继续给电容C充电，uc的电压一旦高于Ud，由于二极管VD0的箝位作用，谐振回路电感中的电流除供给负载外，多余的电流通过VD0回溃给电压源，电感电流逐渐减小，等效电路如图6-8(g)所示。当电感电流减小到等于负载电流时，VT0导通，由电压源和电感电流iLr同时给负载供电。VT0是在零电压和零电流下导通。(7)续流阶段[T6，T7]。在T6时，电感电流等于负载电流时，VT0导通，由电压源和电感电流iLr同时给负载供电，等效电路如图6-8(h)所示。电感电流逐渐减少直至到零，VDa、VDb关断。后面回到稳态供电状态。由前面的分析可知，谐振直流环电路中的所有开关器件均工作在软开关状态，逆变器上的开关器件也可以运行在软开关状态上，降低了系统的开关损耗，减少了开关应力，系统处于高效率运行状态。各阶段的电压和电流波形6.2电力电子装置的谐波与无功功率6.2.1谐波的产生及其危害1.谐波的产生在交流电网中