易靈芝，姜康寧，胡炎申,2

（1.湘潭大學(xué)多能協(xié)同控制技術(shù)湖南省工程研究中心，湘潭411105；2.深圳茂碩電氣有限公司，深圳518000）

三電平逆變器由于具備功率密度高、 成本低、干擾小等優(yōu)勢(shì)，而廣泛應(yīng)用于中大功率的光伏發(fā)電領(lǐng)域[1-2]。 工程應(yīng)用中，功率開(kāi)關(guān)管需要工作在高開(kāi)關(guān)頻率狀態(tài)，因此硬開(kāi)關(guān)損耗尤為明顯，限制其在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用，而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是解決功率開(kāi)關(guān)管高頻化和低損耗之間矛盾的最佳選擇[3-4]。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是利用電感、電容本身特有的屬性，即緩沖電感對(duì)于電流變化的抑制以及緩沖電容對(duì)電壓變化的抑制， 避免功率開(kāi)關(guān)管的電壓和電流同時(shí)取得高值，實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的零電流軟開(kāi)關(guān)ZCS（zero-current soft-switching）和零電壓軟開(kāi)關(guān)ZVS（zerovoltage soft-switching）[5-7]。早期的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是通過(guò)附加RCD 緩沖電路[8-9]，試圖將開(kāi)關(guān)損耗的能量轉(zhuǎn)移到緩沖電路，利用電阻和電容將能量以熱量的形式消耗掉，也能達(dá)到降低開(kāi)關(guān)管溫度的作用。 但理論上能量的損耗依然存在，甚至新增了輔助電路的損耗，效率更低。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于DC/DC 變換器，后由李澤元、 阮新波等專(zhuān)家學(xué)者推廣至多電平逆變器[10-11]。文獻(xiàn)[12]介紹了一種常規(guī)型軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，能夠直接?shí)現(xiàn)零電流軟開(kāi)關(guān)，但這種方案復(fù)制了兩電平ZCT軟開(kāi)關(guān)控制方式，完全沒(méi)有考慮到TNPC 三電平逆變器的拓?fù)涮匦?，輔助器件繁多。文獻(xiàn)[13]提出一種在非單位功率因數(shù)工況下仍能實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)， 并且研制25 kW 的三相逆變器樣機(jī)驗(yàn)證了有效性。但該方案控制過(guò)程需要多模式切換，控制策略復(fù)雜，控制精度要求太高。 文獻(xiàn)[14-15]將諧振極型零電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù)推廣到三電平逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流軟開(kāi)關(guān)，不影響開(kāi)關(guān)管應(yīng)力，但每相引入輔助器件過(guò)多，且輔助開(kāi)關(guān)管需要額外的ZCT 軟開(kāi)關(guān)控制策略。 文獻(xiàn)[16]提出一種無(wú)源軟開(kāi)關(guān)三電平逆變器，無(wú)需更改控制且效率較高，但其輸出波形較差，缺乏對(duì)關(guān)鍵參數(shù)選型的依據(jù)，其換流過(guò)程內(nèi)管電壓應(yīng)力過(guò)大，且伴隨高頻振蕩。

針對(duì)現(xiàn)有三電平逆變器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的不足，提出了一種低電壓應(yīng)力無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變器，通過(guò)附加無(wú)源輔助諧振單元實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，詳述了其各模態(tài)的原理；在此基礎(chǔ)上，列舉了軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的限制條件并給出了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)； 最后，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1 kW 原理樣機(jī)，通過(guò)與常規(guī)軟開(kāi)關(guān)逆變器以及傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)逆變器試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提的新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)逆變器的有效性。

1 電路拓?fù)?/h2>

圖1 為新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)三電平逆變電路，在傳統(tǒng)T 型三電平拓?fù)渖霞尤肓擞删彌_電感Lr、緩沖電容Cr1、Cr2和4 個(gè)二極管Dr1～Dr4組成的緩沖單元，以及2 個(gè)對(duì)稱(chēng)的箝壓?jiǎn)卧狢i1、Di1和Ci2、Di2。 輔助電路的作用是通過(guò)緩沖電感和電容對(duì)于電流和電壓變化速率的限制，提供實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通的條件，通過(guò)LC 諧振將能量反饋回負(fù)載端。主要工作波形如圖2 所示，其中G1和G3對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管S1和S3的驅(qū)動(dòng)，us1、us3和uCr2分別是開(kāi)關(guān)管S1、S3和電容Cr2的 電 壓，is1、is3和iLr分 別 是 流 過(guò) 開(kāi) 關(guān) 管S1、S3和電感Lr的電壓。

圖1 新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)三電平逆變主電路拓?fù)銯ig. 1 Main circuit topology of novel passive softswitching three-level inverter

圖2 開(kāi)關(guān)周期主要工作波形Fig. 2 Main working waveforms in switching cycle

2 工作原理

諧振發(fā)生在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間，即0、1 電平換流時(shí)刻，二極管Dr1～Dr4、緩沖電容Cr1、Cr2以及箝位電容Ci1、Ci2分布和功能鏡像對(duì)稱(chēng)，且Cr1=Cr2=Cr，故以下分析未涉及Dr1、Dr2、Cr1和Ci2。 等效電路見(jiàn)圖3。

模態(tài)1（0-t0）：保持1 電平穩(wěn)態(tài)如圖3（a）所示，S1、S2開(kāi)通，S3、S4關(guān)斷，電流經(jīng)S1到負(fù)載，橋臂電壓uOM=0.5udc。

模態(tài)2（t0-t1）：進(jìn)入換流前段（S1到S2、D3），S1關(guān)斷，S3開(kāi)通， 形成諧振回路和負(fù)載回路兩條導(dǎo)通回路且有所重疊， 此時(shí)通過(guò)S1的電流迅速減小，S1兩端電壓為udc與uCr2之和。因?yàn)镃r2的箝位作用，S1兩端電壓uds1緩慢上升，S1能實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。由于緩沖電感Lr限制了di/dt，S3實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通。

根據(jù)圖3（b）所示，換流階段微分方程為

進(jìn)而可知

根據(jù)uCr2的表達(dá)式可以推導(dǎo)出本階段持續(xù)時(shí)間為

模態(tài)3（t1-t2）：進(jìn)入換流后段如圖3（c）所示，Cr2放電完畢，D4開(kāi)始導(dǎo)通， 同時(shí)通過(guò)Dr4的電流降為0，由于udc/2 的恒定電壓加在Lr兩端，使其電流線性增大，D4電流線性下降。 t3時(shí)刻通過(guò)D4的電流降至0，負(fù)載電流達(dá)到最大值。 本階段持續(xù)時(shí)間為IoLr/（0.5udc）。

圖3 6 個(gè)模態(tài)的等效電路Fig. 3 Equivalent circuits in six modes

模態(tài)4（t2-t3）：保持0 電平穩(wěn)態(tài)如圖3（d）所示，S2、S3保持開(kāi)通， 只有一條回路即D3、S2到負(fù)載，電感電流等于負(fù)載電流，緩沖電容電壓為0，橋臂電壓uOM=0。

模態(tài)5（t3-t4）：進(jìn)入換流前段（S2、D3到S1）如圖3（e）所示，S1開(kāi)通，S3關(guān)斷，正母線電壓給Lr施加的udc/2 的反向電壓，但Lr上電流不能突變，S1實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通。同時(shí)，因?yàn)殡娏髦唤?jīng)過(guò)D3，S3兩端電壓上升速度受限，S3能實(shí)現(xiàn)零電流零電壓關(guān)斷。 本階段持續(xù)時(shí)間為IoLr/（0.5udc）。

模態(tài)6（t4-t5）：進(jìn)入換流后段如圖3（f）所示，BUS+-S1-Cr2-Dr3-Lr構(gòu)成諧振回路給Cr2充電， 當(dāng)內(nèi)管S3電壓應(yīng)力超過(guò)udc/2， 箝位二極管Di1導(dǎo)通，箝位電容Ci1將電壓穩(wěn)定在udc/2 附近直到諧振結(jié)束。Lr電流線性下降，相應(yīng)地流過(guò)S1的電流線性上升。直至Lr電流降到0，電路回到如圖3（a）所示的1 電平穩(wěn)態(tài)。 開(kāi)關(guān)管S3電壓應(yīng)力為

其中

本階段換流時(shí)間為

3 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上模態(tài)分析可以得到軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的基本條件。

（1）為確保開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，主要器件流過(guò)的峰值電流應(yīng)小于其允許通過(guò)的最大電流，取開(kāi)關(guān)管允許通過(guò)最大電流為ISA，緩沖二極管允許通過(guò)最大電流IDA，考慮安全裕度系數(shù)為0.8，則

（2）為確保換流不干擾逆變器正常工作，要求換流時(shí)間小于tr，tr取0.1To，To為開(kāi)關(guān)周期，則

關(guān)于軟開(kāi)關(guān)組件的參數(shù)選型，根據(jù)模態(tài)6 可以推導(dǎo)出流經(jīng)開(kāi)關(guān)管電流的最大裕值ism以及諧振電流峰值ip為

式中：I 為最大負(fù)載電流；Cr為電容Cr1和Cr2的容值。 ip為負(fù)載電流的1/3，可得

由模態(tài)分析可知，流經(jīng)Dr1和Dr4最大電流為開(kāi)關(guān)管的最大電流，ism=14.1 A，Dr2和Dr3的最大電流為諧振電流ip=3.5 A， 輔助二極管的最大耐壓均為母線電壓udc=300 V。 流過(guò)試驗(yàn)開(kāi)關(guān)頻率為18 kHz，諧振不能干擾逆變器正常工作，因此諧振周期不能超過(guò)開(kāi)關(guān)周期的1/10，即

綜合式（11）和式（12）可以得到諧振參數(shù)Lr=32 μH，Cr=22 μF。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的正確性，參考第3 節(jié)關(guān)鍵參數(shù)選型，在實(shí)驗(yàn)室搭建了1 kW 新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)三電平逆變器樣機(jī)，如圖4 所示，具體參數(shù)為：直流輸入電壓300 V；主控芯片TMS320F28335；開(kāi)關(guān)頻率為18 kHz；輸出100 V/50 Hz；額定輸出電流10 A；濾波器電感1 mH， 濾波電容25 μF； 功率開(kāi)關(guān)管S1～S4使用英飛凌公司的IGBT，型號(hào)為K40H1203；使用STMicroelectronics 公司的型號(hào)STTH3012W二極管； 緩沖電感Lr=32 μH； 緩沖電容Cr1=Cr2=22 nF，型號(hào)為MMKP82。

圖5（a）可見(jiàn)，is1和us1不會(huì)同時(shí)取高值，因此外管S1可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和零電流開(kāi)通， 開(kāi)關(guān)損耗明顯減少。圖5（b）中uCr2波形存在斜率緩和的零電壓凹槽，表明開(kāi)關(guān)管具備零電壓切換的條件。 需要說(shuō)明的是，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全范圍軟開(kāi)關(guān)過(guò)。 因?yàn)榱泓c(diǎn)附近存在開(kāi)關(guān)周期占空比不到10%的情況， 由式（12）結(jié)合實(shí)驗(yàn)波形可計(jì)算出，占到整個(gè)工頻周期的7%。 但過(guò)零點(diǎn)附近電流、電壓都為低值，因此零點(diǎn)附近無(wú)法實(shí)現(xiàn)全范圍軟開(kāi)關(guān)影響并不大。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig. 4 Experimental prototype

圖5 新型軟開(kāi)關(guān)逆變器實(shí)驗(yàn)波形Fig. 5 Experimental waveforms of novel soft-switching inverter

為對(duì)比分析本方案在電壓應(yīng)力、振蕩抑制以及輸出波形THD 等方面的優(yōu)勢(shì)， 對(duì)比測(cè)試了同等工況下的常規(guī)型軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浞桨?，常?guī)型軟開(kāi)關(guān)試驗(yàn)條件及組件參數(shù)與本文新型軟開(kāi)關(guān)均保持一致，即開(kāi)關(guān)頻率仍為18 kHz；輸出100 V/50 Hz；所有開(kāi)關(guān)管型號(hào)為K40H1203， 無(wú)需加入二極管。 圖6 為S3電壓、電流對(duì)比波形，由圖6（a）可見(jiàn)，最大電壓應(yīng)力達(dá)到了輸入電壓300 V，而圖6（b）中電壓應(yīng)力僅為190 V，且電流變化更為平緩，而工程應(yīng)用中T 型三電平拓?fù)涔β使芙M合絕大多數(shù)采用4 合1 模塊，其規(guī)格固定內(nèi)管耐壓是外管耐壓的一半，本文提出的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)湟蚓哂须妷簯?yīng)力的優(yōu)勢(shì)，仍然能應(yīng)用于模塊化三電平逆變器。 另外，本文軟開(kāi)關(guān)通過(guò)并聯(lián)箝壓?jiǎn)卧种屏私Y(jié)電容與諧振電感的高頻諧振，逆變器更快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，所以本文提出的軟開(kāi)關(guān)逆變器穩(wěn)定性更好。

圖6 S3 的電壓電流波形對(duì)比Fig. 6 Comparison of voltage and current waveforms of S3

由于應(yīng)用背景是中點(diǎn)箝位型NPC（neutral point clamped）三電平逆變器，中點(diǎn)電壓不平衡是所有NPC逆變器所固有的問(wèn)題。 減小中點(diǎn)電位波動(dòng)是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。 加入了中點(diǎn)電壓波動(dòng)的測(cè)試試驗(yàn)，由圖7 可見(jiàn)，由于軟開(kāi)關(guān)方案優(yōu)化了開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力沖擊和振蕩，逆變器輸出電壓幾乎穩(wěn)定在3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平段（0，±udc/2），分壓電容的諧波振蕩較小。

圖8 為輸出電流波形的對(duì)比，改善的輸出電壓波形可確保負(fù)載電流連續(xù)性，波形質(zhì)量較高。 且所測(cè)常規(guī)軟開(kāi)關(guān)THDi 為4.62%，本文軟開(kāi)關(guān)THDi 僅2.75%。

圖7 輸出電壓及中點(diǎn)電位波形對(duì)比Fig. 7 Comparison of output voltage and neutral-point potential waveforms

圖8 輸出電流波形對(duì)比Fig. 8 Comparison of output current waveform

圖9 同等工況下本文的新型軟開(kāi)關(guān)逆變器分別與常規(guī)軟開(kāi)關(guān)和傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)逆變器的效率對(duì)比，輕載時(shí)功率和電流很小，沒(méi)有滿(mǎn)足全范圍的軟開(kāi)關(guān)的條件， 而非理想條件下輔助電路本身會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，因此輕載段軟開(kāi)關(guān)效率略低，但不可否認(rèn)的是，隨著負(fù)載電流等軟開(kāi)關(guān)條件的滿(mǎn)足，兩種軟開(kāi)關(guān)效率均領(lǐng)先于傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)。而由于新型軟開(kāi)關(guān)逆變器優(yōu)化了管電壓、管電流沖擊與振蕩，電壓、電流利用率高，因此加載段新型軟開(kāi)關(guān)逆變器全面領(lǐng)先于常規(guī)軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)?。而工程?yīng)用中逆變器大多工作在高負(fù)載或滿(mǎn)載工況下，因此本文的新型軟開(kāi)關(guān)逆變拓?fù)湫矢鼉?yōu)。

圖9 效率曲線對(duì)比Fig. 9 Comparison of efficiency curve

5 結(jié)語(yǔ)

新型無(wú)源軟開(kāi)關(guān)三電平逆變器無(wú)需改變?cè)姓{(diào)制方式即可實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)動(dòng)作，能明顯減少開(kāi)關(guān)損耗；正常工作效率高于傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)和常規(guī)軟開(kāi)關(guān)逆變器；開(kāi)關(guān)管在換流過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)大幅電壓沖擊和振蕩，中點(diǎn)電壓波動(dòng)更小，確保了逆變器的穩(wěn)定性；輸出電流紋波小，波形質(zhì)量高，能夠滿(mǎn)足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。