基于軟開關技術高壓直流電源的研究

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

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

1 軟開關技術

目前，開關電源普遍采用脈寬調制技術，在這種變換方式中開關器件是在大電流、高電壓的條件下導通和關斷的。由于變換電路中開關管并不是理想器件，在導通時開關管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間里，電流和電壓有一個交疊區，產生損耗，稱為導通損耗（Turn-on loss）。同樣，在開關管的關斷過程中，電流和電壓也有一個交疊區，并產生了損耗，稱為關斷損耗（Turn-off loss）。因此在開關管開關工作時，要產生導通損耗和關斷損耗，統稱為開關損耗（Switching loss）。

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

圖1 理想軟開關波形和硬開關波形

2 軟開關高壓電源設計

2.1 主電路設計

本文主要研究零電流開關，如圖2所示，其基本實現方法是與主開關管串聯諧振電感，在開關管開通時阻止電流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，采用變壓器實現電源隔離的同時，利用變壓器漏感kl和諧振電容rc構成準諧振回路，在功率開關器件A、B關斷前，打開功率開關器件C，使準諧振回路工作，實現功率開關管零損耗關斷。

圖3 軟開關直流電源主電路

由于變壓器原邊電感對電流的阻礙作用，當開關器件A或B導通時，電流sI保持較小值，實現了零損耗開通。開關器件C控制變壓器漏感kl和諧振電容rc構成的準諧振回路，根據計算公式，在開關器件A或B關閉前，適時打開開關器件C，使準諧振回路工作，諧振電容rc由充電逐步到放電，當電流Is在零點附近時，關閉開關器件A或B，從而實現功率開關管零損耗關斷。

2.2 實驗分析

實驗電路采用自主設計的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主要負責觸發脈沖的產生與控制、上位機控制等，FPGA負責模擬信號采集、硬件電路保護等。

主電路拓撲為兩組帶軟開關的斬波電路串聯，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，實驗功率為100KVA。

軟開關觸發與斬波觸發波形如圖4所示，由相關公式計算可知，軟開關觸發脈寬為15us，軟開關觸發與斬波觸發同時關斷，斬波觸發脈寬必須大于軟開關脈寬。

變壓器原邊電流波形如圖5所示，在斬波電路中IGBT關斷之前，適時的打開軟開關IGBT，可以形成諧振回路，當流過斬波電路IGBT電流在零附近時，關閉IGBT，實現零電流關斷。

圖4 軟開關觸發與斬波觸發波形

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 結論

本文研究了一種適用于斬波電路的軟開關技術，并給出了詳細的理論分析。通過大功率實驗驗證了該方法的有效性和可行性，達到了理想的效果。