3  軟開關(guān)逆變器工作原理

為了方便討論，我們首先討論圖1電路作為一個DC/DC變換器時的工作過程，它由作為直流輸入電壓源的濾波電容 、移相式零電壓零電流開關(guān)PWM（PS-ZVZCS-PWM）控制的4只IGBT開關(guān)管、變壓器T、副邊整流濾波輸出電路組成。全橋逆變器采用簡單的移相控制方式，各開關(guān)管控制時序和相應(yīng)的電壓電流波形如圖2所示。g1~g4是IGBT控制脈沖時序， 是工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下的A相功率因數(shù)校正電感電流， 和 分別為變壓器T1原邊電壓和電流。在變換器處于穩(wěn)定狀態(tài)之后，設(shè) ，開關(guān)管 、 共同導(dǎo)通期間，可飽和電感Ls飽和，相當(dāng)于短路，原邊電壓為 ，電源向負(fù)載輸出功率； 時刻，開關(guān)管 先關(guān)斷（由于開關(guān)管并聯(lián)緩沖電容 ， 為零電壓關(guān)斷），變壓器原邊電流對電容 充電、 放電，當(dāng)電容 放電到零， 自然導(dǎo)通；

時刻完成 的零電壓開通；原邊電流經(jīng) 、            圖2  逆變器控制脈沖時序及其它關(guān)鍵波形

續(xù)流，并在諧振電容Cb的作用下迅速下降，當(dāng)下降至可飽和電感的臨界飽和電流時，可飽和電感退出飽和，阻止原邊電流反向，在 時刻關(guān)斷 ，即為零電流關(guān)斷；由于可飽和電感還沒有退出飽和，使得延遲一定時間（滯后臂死區(qū)時間）在 時刻零電流開通 ；開關(guān)管 、 共同導(dǎo)通，可飽和電感飽和，電源向負(fù)載輸出功率。之后，進(jìn)入下半周期，運(yùn)行模式與上面所述相似。

4  功率因數(shù)校正原理

圖1電路除了作為DC/DC變換器外還作為功率因數(shù)校正器（PFC），它由三相高頻濾波電容、運(yùn)行于不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下的功率因數(shù)校正儲能電感 、三相二極管整流橋和全橋逆變器超前臂開關(guān)管 組成。為了方便分析，作如下假設(shè)：

●     各開關(guān)器件（包括二極管）視為理想器件。

●     電網(wǎng)電源按A、B、C三相正序?qū)ΨQ，即 ， ，

●     由于開關(guān)周期 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電源交流電周期 ，在開關(guān)周期 內(nèi)，認(rèn)為電源 、 、 不變。

設(shè)當(dāng)A相電壓和C相電壓大于零，B相電壓小于零時，開關(guān)管 在一個電源周期內(nèi)的第n個脈沖（顯然，一個電源周期內(nèi)有 個開關(guān)脈沖，第n個脈沖的對應(yīng)時刻為n ）到來時開通。開關(guān)管 的開通使P、N點等電位，二極管 、 導(dǎo)通，為輸入電感 、 構(gòu)成獨立回路，由于圖1中輸入電源為三相三線制系統(tǒng)，當(dāng)高頻濾波電容足夠大時，A、B、C三點電位相當(dāng)于電源電壓，N點為三相輸入電容星型接法的中點，等效于三相三線制電源的中點，則加在 、 兩端的電壓分別為相電壓 、 ，而B相電壓小于零，二極管 導(dǎo)通，再通過 和濾波電容 構(gòu)成回路，加在 上的電壓為 ，由于濾波電容足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為是恒定值，用直流電源 代替，則其等效電路如圖3（a）所示。在此期間，加在電感上的電壓近似于恒定值，電感 和 的電流 和 從零開始近似線性增長，在開關(guān)管關(guān)斷時達(dá)到最大值；電感 上的電流 從負(fù)的最大值向零線性減小，各電流變化可由下式給出：

                                                    (1)

                                                                                   (2)

                                             (3)

式中 0≤t≤D

很顯然，當(dāng)一個交流電周期內(nèi)的第n個脈沖結(jié)束時，電感 和 的電流達(dá)到最大值 和 ，電感 電流降到零。

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圖3（a） 開關(guān)管 開通時等效輸入電路             圖3（b） 開關(guān)管 關(guān)斷時等效輸入電路

                                                   (4)

= 0                                                                   (5)

                                             (6)

由此可見，電感電流峰值是近似按照正弦規(guī)律變化的。

在超前臂開關(guān)管 關(guān)斷、 開通之后，開關(guān)管 的開通使G、N點等電位，加在電感 和 上的電壓分別為 和 ，加在電感 上的電壓為 ，其等效電路如圖3（b）所示。在此期間，考慮到整流電壓 近似恒定，電感 和 的電流 和 從最大值近似線性減小到零；電感 的電流 從零負(fù)向線性增加到負(fù)最大值，各電流變化可由下式給出：

                                            (7)

                                                (8)

                                                                                           (9)

式中 0≤t≤(1-D)

顯然，功率因數(shù)校正電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下，在超前臂開關(guān)管 導(dǎo)通時儲能，在 關(guān)斷時放能，由于采用移相調(diào)節(jié)方式，開關(guān)管反并聯(lián)二極管VD1或VD2導(dǎo)通時也相當(dāng)于超前臂開關(guān)管處于通態(tài)狀態(tài)，其功率因數(shù)校正電感電流波形見圖2，則由式（1）和式（7）得出，在一個開關(guān)周期 時間內(nèi)流過 的電流的平均值為：

                                                    (10)

顯然，電感 和 平均電流也和電感 的平均電流一樣近似按正弦規(guī)律變化，并且和各自電壓同相。由于系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，各開關(guān)管穩(wěn)定工作，上述分析同樣適合A、B、C三相電壓處于其它值的情況。

在這種主電路中，由(10)式知 受開關(guān)管導(dǎo)通時間 的影響。由于采用移相調(diào)節(jié)方式， 、 的導(dǎo)通時間 恒定不變，并且輸入電源峰值E、開關(guān)周期T和功率因素校正電感L均為恒定值，可見 為一正弦函數(shù)。由于輸入電感中電流還包含著開關(guān)頻率整數(shù)倍的高次諧波分量，加一個合適的三相高頻濾波器，這樣，功率因數(shù)可達(dá)到0.995，THD=1%，比傳統(tǒng)變換器的功率因數(shù)要高得多。

5  仿真試驗

為了驗證這種新型單級三相高功率因數(shù)零開關(guān)變換器的可行性，對圖1這種主電路進(jìn)行PSPICE仿真。電路參數(shù)為：輸入電感 ~ 50 H；開關(guān)管并聯(lián)電容 、 0.01 F；輸入濾波電容 470 F；開關(guān)頻率 25kHz；占空比D0.4；變壓器變比7:1；輸出濾波電感 100 H；輸出濾波電容為1 F；輸出36V、400A。其仿真波形如圖4~圖8。圖4為完成輸出調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正雙重功能的超前臂開關(guān)管零電壓開關(guān)波形，可見由于開關(guān)管在零電壓下開通；圖5為工作在電流不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下功率因數(shù)校正電感的電流，可見其包絡(luò)線為與該相電壓同相的正弦波形，它包含開關(guān)頻率附近的高次諧波；圖6為經(jīng)過高頻濾波之后得到的電源輸入線電流波形，圖7即為其頻譜，可見除了開關(guān)頻率附近還包含極小的諧波外幾乎所有諧波都被高頻濾波電路濾除，其功率因素可達(dá)0.995以上。為了對比，給出沒有功率因素校正時電源輸入線電流頻譜如圖8所示 。

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圖4  額定負(fù)載（400A）時超前臂開關(guān)管電壓、電流波形             圖5  功率因數(shù)校正電感電流波形

6  結(jié)束語

上述仿真結(jié)果表明，該新型單級三相無電磁污染零開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是正確合理的，該開關(guān)電源用在三相三線制中，尤其適合輸出幾十千瓦的大功率并且要求輸入輸出隔離的直流電源系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)以一個功率級在完成功率輸出的快速調(diào)節(jié)的同時實現(xiàn)功率因數(shù)的校正，并且各功率開關(guān)管都處于軟開關(guān)狀態(tài)，減小了電磁干擾，同時由于采用軟開關(guān)PWM技術(shù)，工作頻率可以比硬開關(guān)高得多，體積更小，效率更高，而成本和復(fù)雜程度比兩級方案大為降低，因此易于推廣應(yīng)用，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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圖6  電源輸入電流波形                                  圖7  電源輸入電流頻譜

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圖8  無PFC時電源輸入電流頻譜