详解高频脉宽调制技术在逆变器中的实例应用

由于对逆变器高频化的追求，硬开关所固有的缺陷变得不可容忍：开通和关断损耗大;容性开通问题;二极管反向恢复问题;感性关断问题;硬开关电路的 EMI问题。因此，有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开关带来的各种问题。软开关技术是克服以上缺陷的有效办法。最理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近似为零。因功率管开通前电压已下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。

基于此，本文探讨性地提出了一种用于全桥逆变器的，HPWM控制方式的ZVS软开关技术，如图1所示。其出发点是在尽量不改变硬开关拓扑结构，即尽量不增加或少增加辅助元器件的前提下，有效利用现有电路元器件及功率管的寄生参数，为逆变桥主功率管创造ZVS软开关条件，最大限度地实现ZVS，从而达到减少损耗，降低EMI，提高可靠性的目的。

图1 HPWM控制方式

HPWM控制方式下实现ZVS的工作原理

考虑到MOS管输出结电容值的离散性及非线性，每只MOS管并联一小电容，吸收其结电容在内等效为C1-C4，且 C1=C2=C3=C4=Ceff;D1-D4为MOS管的体二极管，则HPWM软开关方式在整个输出电压的一个周期内共有12种开关状态。基于正负半周两个桥臂工作的对称性，以输出电压正半周为例，其等效电路模式如图2所示。图3给出了输出电压正半周的一个开关周期内的电路的主要波形，此时S4常通，S2关断。由于载波频率远大于输出电压基波频率，在一个开关周期Ts内近似认为输出电压Uo保持不变，电感电流的相邻开关周期的瞬时极值不变。

图2 HPWM软开关方式工作状态及电路模式

图3 ZVS方式主要波形

1)模式A[t0，t1] S1和S4导通，电路为+1态输出模式，滤波电感电流线性增加，直到t1时刻S1关断为止。电感电流：

2)模式A1[t1，t2] 在t1时刻，S1关断，电感电流从S1中转移到C1和C3支路，给C1充电，同时C3放电。由于C1、C3的存在，S1为零电压关断。在此很短的时间内，可以认为电感电流近似不变，为一恒流源，则C1两端电压线性上升，C3两端电压线性下降。t2时刻，C3电压下降到零，S3的体二极管D3自然导通，结束电路模式A1。