祖琳,劉輝,萬一兵

（西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西西安,710000）

0 引言

通過在硬開關(guān)的開關(guān)電路中引入很小的電感、電容等諧振元件，便可在開關(guān)過程前后引入諧振過程，使功率管在開通或關(guān)斷過程中，或是兩端的電壓為零，即零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS），或是通過器件的電流為零，即零電流開關(guān)（Zero Current Switching，ZCS）。這種開關(guān)方式可以消除開關(guān)過程中的電壓、電流的重疊區(qū)，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)過程中的電磁干擾，從而可以大幅度地提高開關(guān)頻率，繼而可以提高效率，減小體積，提高電磁兼容性能力。

1 軟開關(guān)技術(shù)

目前，開關(guān)電源普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)，在這種變換方式中開關(guān)器件是在大電流、高電壓的條件下導(dǎo)通和關(guān)斷的。由于變換電路中開關(guān)管并不是理想器件，在導(dǎo)通時(shí)開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱為導(dǎo)通損耗（Turn-on loss）。同樣，在開關(guān)管的關(guān)斷過程中，電流和電壓也有一個(gè)交疊區(qū)，并產(chǎn)生了損耗，稱為關(guān)斷損耗（Turn-off loss）。因此在開關(guān)管開關(guān)工作時(shí)，要產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開關(guān)損耗（Switching loss）。

軟開關(guān)技術(shù)通常是指零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）。最理想的軟開關(guān)過程是電流和電壓沒有有交疊區(qū)，這樣就可以消除開關(guān)損耗。

圖1 理想軟開關(guān)波形和硬開關(guān)波形

2 軟開關(guān)高壓電源設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

本文主要研究零電流開關(guān)，如圖2所示，其基本實(shí)現(xiàn)方法是與主開關(guān)管串聯(lián)諧振電感，在開關(guān)管開通時(shí)阻止電流ci上升，這樣在dV降至零值附近之后，ci保持較小值，因而獲得了零損耗的開通過程。

圖2 零電流開通基本原理

主電路如圖3所示，采用變壓器實(shí)現(xiàn)電源隔離的同時(shí)，利用變壓器漏感kl和諧振電容rc構(gòu)成準(zhǔn)諧振回路，在功率開關(guān)器件A、B關(guān)斷前，打開功率開關(guān)器件C，使準(zhǔn)諧振回路工作，實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管零損耗關(guān)斷。

圖3 軟開關(guān)直流電源主電路

由于變壓器原邊電感對(duì)電流的阻礙作用，當(dāng)開關(guān)器件A或B導(dǎo)通時(shí)，電流sI保持較小值，實(shí)現(xiàn)了零損耗開通。開關(guān)器件C控制變壓器漏感kl和諧振電容rc構(gòu)成的準(zhǔn)諧振回路，根據(jù)計(jì)算公式，在開關(guān)器件A或B關(guān)閉前，適時(shí)打開開關(guān)器件C，使準(zhǔn)諧振回路工作，諧振電容rc由充電逐步到放電，當(dāng)電流Is在零點(diǎn)附近時(shí)，關(guān)閉開關(guān)器件A或B，從而實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管零損耗關(guān)斷。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)電路采用自主設(shè)計(jì)的8層控制電路板，主控制芯片為TI公司的TMS320F28335和XILINX公司的XC3S1500，其中DSP主要負(fù)責(zé)觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與控制、上位機(jī)控制等，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)模擬信號(hào)采集、硬件電路保護(hù)等。

主電路拓?fù)錇閮山M帶軟開關(guān)的斬波電路串聯(lián)，后接整流電路和逆變電路，輸入電壓為3300V直流電，中間直流電壓600V，輸出三相交流電壓400V，實(shí)驗(yàn)功率為100KVA。

軟開關(guān)觸發(fā)與斬波觸發(fā)波形如圖4所示，由相關(guān)公式計(jì)算可知，軟開關(guān)觸發(fā)脈寬為15us，軟開關(guān)觸發(fā)與斬波觸發(fā)同時(shí)關(guān)斷，斬波觸發(fā)脈寬必須大于軟開關(guān)脈寬。

變壓器原邊電流波形如圖5所示，在斬波電路中IGBT關(guān)斷之前，適時(shí)的打開軟開關(guān)IGBT，可以形成諧振回路，當(dāng)流過斬波電路IGBT電流在零附近時(shí)，關(guān)閉IGBT，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

圖4 軟開關(guān)觸發(fā)與斬波觸發(fā)波形

圖5 變壓器原邊電流波形

圖6 三相逆變輸出波形

逆變器三相電壓輸出如圖6所示，輸出電壓400V，逆變器采用SPWM控制策略。

3 結(jié)論

本文研究了一種適用于斬波電路的軟開關(guān)技術(shù)，并給出了詳細(xì)的理論分析。通過大功率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性，達(dá)到了理想的效果。