一种零电流转换软开关逆变器的损耗分析及其与硬开关逆变器的效率比较

摘要：通过在理论上对硬开关逆变器和一种零电流转换软开关逆变器的损耗分析，并且对软开关以及硬开关逆变器分别在不同功率等级，不同开关频率下进行了效率的比较，最终得到了零电流软开关逆变器与硬开关逆变器在效率方面的比较结果，最后给出了提高软开关逆变器效率的可能性。

关键词：软开关；逆变器；效率比较

Abstract:The losses of hard-switching inverter and a ZCT soft-switching inverter are theoretically analyzed. Then, a comparison between the soft-switching inverter and hard-switching inverter on different output power and different switching frequency is given. Finally, a conclusion of this comparison is derived, based on this conclusion a direction of how to improve the efficiency of softswitching inverter is given.

0 引言

三相PWM 逆变器目前被广泛应用于各种领域，其中也包括电机拖动场所。由于开关器件的开关损耗，其开关频率还是受到了很大的限制。而软开关技术正是实现在提高开关频率的同时，减小在开关过程中造成的开关损耗。软开关技术在逆变器中的应用也有不少文献提到过[1]-[3]，由于软开关的使用，可以大大降低开关损耗，进而提高开关频率。然而，如果考虑整体系统的效率，软开关逆变器系统与硬开关逆变器系统有什么区别。本文从理论上对常用的ZCT 软开关逆变器[4]的损耗进行了分析，并且在不同的功率等级、开关频率等情况下与对应的硬开关系统进行了比较，同时，对比较结果进行分析并且给出了结论。

1 ZCT软开关的工作原理

图1 所示为一种六辅助开关的ZCT 电路，其辅助电路中的辅助开关分别并联在主电路的直流侧，与主电路的桥臂中点通过LC 谐振回路连接在一起。

图1 零电流转换逆变器的结构图

该电路零电流转换的主要工作原理如下：在一个开关转换过程中，要关断一个正在导通的开关之前，通过软开关电路谐振使得被关断开关的导通电流降为零再进行关断，这样就可以大大降低开关损耗。所引入的辅助开关在实现了开关的零电流转换后就不继续工作了，因此，这并不影响传统的PWM 控制方式。

主电路对于负载电流ILoad>0 和ILoad<0 的控制是对称的，因此，在这里我们只对其一相电路分析负载电流大于零的情况，约定的电压电流参考方向如图2 所示，其工作过程中的波形如图3 所示。

图2 六辅助开关零电流转换软开关逆变器的一相电路图3 六辅助开关零电流转换逆变器的开关周期波形

为了便于理解，对其中一相进行分析，图4 为一个转换过程的示意图。

(a)初始状态[before,t0] (b)开通过程1[t0,t2]

(c)开通过程2[t2,t4] (d)主开关开通状态[t4,t5]

(e)关断过程1[t5,t7] (f)关断过程2[t7,t8]

(g0关断过程3[t8,t10] (h)主二极管导通状态[after t10]
图4 零电流转换逆变器带6 个辅助开关的转换过程图

（1）开通过程1[t0，t2]国在t0 时刻，辅助开关SX2导通，开通过程开始。辅助电路中的LC 谐振回路开始谐振，其谐振电流从零开始增加到最大值然后在t1时刻再降为零。此时，由于谐振电容上的电压vx 为负，因此，谐振回路继续进行谐振，谐振电流方向相反，并由辅助开关旁的并联二极管导通。而辅助开关SX2 这时可以在零电压和零电流的情况下关断。当谐振电流方向相反的时候，主二极管中的电流开始转移到谐振回路中。

（2）开通过程2[t2，t4]国当谐振电流在t2时刻达到反向最大值的时候，主二极管中的电流则降为零。此时，主开关S1在零电流状态下导通。在t2 时刻后，由于直流侧电压Vdc 此时包括在谐振回路中，因此谐振电流会快速减小。当谐振电流在t3时刻降为零时，DX2会自然关断。由于此时谐振电容上的电压vx为正，因此谐振回路仍将继续工作，只不过由第一个辅助开关的并联二极管DX1 进行续流。

（3）主开关开通状态[t4，t5]国当谐振电流ix 在t4时刻再一次降为零时，DX1也自然关断。辅助电路此时停止工作并且不影响到主电路的运行。这段时间的长短取决于PWM 控制。

（4）关断过程1[t5，t7]国如果需要关断主开关，首先，在t5 时刻，先让辅助开关SX2导通。此时谐振回路又开始谐振，这个时候谐振回路包括谐振电感Lx，谐振电容Cx以及直流侧电压Vdc。谐振电流的方向为负，其幅值先从零增加到峰值然后在t6 时刻再减小到零，此时SX2在零电流的状态下关断。由于谐振电容上电压的幅值比直流侧电压还要大，因此谐振还将继续进行，谐振电流通过DX2 进行导通，此时主电路中的电流开始转移到辅助回路中。

（5）关断过程2[t7，t8]国在t7 时刻，谐振电流ix的幅值达到了负载电流的大小，此时主开关的电流减为零。由于谐振电流ix 继续增加，大于负载电流的部分，通过S1旁并联的二极管导通，这时S1的电压被箝制为零，因此S1 的关断损耗会大大减小。

（6）关断过程3[t8，t10]国当谐振电流ix在t8 时刻再次减小到负载电流值时，与S1 并联的二极管停止工作。由于谐振电容上电压的原因，此时与S2并联的主二极管仍然无法导通，因此负载电流只能通过谐振支路进行导通，并且对谐振电容进行线性放电。在t9 时刻，谐振电容上的电压达到零，与S2并联的主二极管开始导通。随着谐振电流减小为零，主二极管的电流开始逐渐增加。

（7）主二极管导通状态[t10]国当ix 在t10 时刻达到零，辅助电路停止谐振，并且与主电路脱离。负载电流完全由主二极管进行导通。

2 损耗模型及其ZCT损耗分析

2.1 损耗模型

开关管的导通损耗模型[5]：导通损耗模型假设通过一开关的电压降落可以用一个电压源与一个电阻的串联来表示。电阻的阻值可被近似认为是恒定的。因此，此模型用于IGBT和二极管可以分别表示为

式中：Vt和Vf为IGBT和二极管的零电流压降；

Rce和Rak为相应等效电阻值；

I为导通电流。

这些相关的参数都可以从器件的数据手册上得到。

开关管的开关损耗模型：根据实际的器件测试，可以发现每一次开关的损耗与开关电流有着很强的线性关系。

因此，开通和关断损耗模型可以通过式（3）和式（4）表示，即

根据文献[6]可以得到硬开关的开关器件及其反并联二极管的导通损耗计算式为

式中：m为电压调制系数；

cosφ为负载功率因数。

2.2 ZCT损耗分析

ZCT的损耗可以分为5部分来分析。

2.2.1 辅助开关导通损耗

根据图3 所示的工作波形，可以看出谐振电流在t0 到t2 部分与其在t9 到t10 部分可以组成一个完整的谐振周期。t5 到t8部分与t2 到t3部分也可以组成一个完整的谐振周期，因此，可以认为，流过IGBT 和二极管的平均电流以及有效值电流分别相等。

先考虑开通过程，根据其工作原理，可以得到平均电流和有效值电流分别为

式中：Tr为谐振周期，Tr=2仔姨LC ，其中L、C为谐振电感和谐振电容值；

Ts为开关周期。

在关断过程中，谐振电流的峰值只与直流侧电压以及谐振电感和谐振电容有关系，此过程中的平均电流和有效值电流分别为

现在如果要求出平均电流和有效值电流在一个工频周期的值，就必须对负载电流进行积分。在采用SVM调制策略时可以在每相开关的1/3 个工频周期中不动作，所以如图5 所示，控制每相开关在该相负载电流最大的1/3 个周期内是不动作的，因此对其余2/3 周期积分得到一个工频周期的开关管和反并联二极管电流的平均值和方均根值由式(13)和式(14)表示为

因此，每一相的损耗可以用式(15)表示为

2.2.2 辅助开关开关损耗

由于在导通和关断过程中都实现了零电流开关，因此辅助电路的开关损耗忽略不计。

2.2.3 主开关导通损耗

主开关的额外导通损耗可以由式（17）得到

因此，主开关的导通损耗为

图5 在一个工频周期开关管的开关动作区间

2.2.4 主开关开关损耗

虽然主开关上的开通和关断损耗也被大大减小了，但是还不能完全忽略。因此，假设开关损耗还与负载电流大小成正比的条件下得到

因此，总的开关损耗可以表示为

这里KZCTon=KZCToff=0.2

2.2.5 谐振回路等效串联阻抗损耗

流过谐振回路的电流有效值可以表示为

因此，等效串联阻抗损耗可以表示为

3 仿真结果及分析

仿真选取了两种功率等级情况进行分析，其相应的功率等级下所选器件、开关频率、电路拓扑所用的参数如表1所列。

3.1 在给定工作点软开关与硬开关逆变器的效率比较及分析

3.1.1 小功率输出的情况

输出功率为5.8kW，在50kHz 和100kHz 两种工作频率下。

表2给出了在这种情况下，硬开关逆变器以及软开关逆变器每一部分的详细损耗。在表2 中，软开关的开关损耗被大大降低了，但是同时，由于要实现零电流转换，因此对于主电路以及辅助电路都带来了一些额外的导通损耗。从图6 可以看出在100 kHz 时，由于使用了软开关，整体效率提高了1.7%，在50kHz的时候，效率提高了0.9%。

图6 软开关逆变器能够提高的效率(小功率)

3.1.2 大功率输出的情况

输出功率为100kW，工作在10 kHz 和20kHz两种工作频率下。

表3 给出了在这种情况下，硬开关逆变器以及软开关逆变器每一部分的详细损耗。从图7可以看出在20 kHz 时，由于使用了软开关，整体效率提高了0.34%，在10kHz 的时候，效率提高了0.17%。

从图6 和图7 中可以看出，利用软开关技术，可以提高整体逆变器的效率，但是提高的幅度并不大，主要原因是现在应用的IGBT 模块，所带来的开关损耗占整个系统的比例已经很小了，在不需要很高开关频率的情况下，硬开关的效率已经比较高了，而且可提高的空间很小。

图7 软开关逆变器能够提高的效率(大功率

3.2 两种功率等级下ZCT软开关与硬开关逆变器的损耗比较与分析

3.2.1 小功率情况

图8（a）表示软开关与硬开关逆变器损耗与输出功率以及开关频率的关系。两水平坐标分别表示输出功率和开关频率。对应于小功率情况，其输出功率在0~5.8kW变化，开关频率在0~100kHz变化。纵坐标为软开关逆变器比硬开关逆变器在相同的输出功率以及开关频率下节约的功率。当这个值为正的时候，表示软开关逆变器的损耗比硬开关逆变器小，也就是软开关效率更高。当这个值为负的时候，则相反。为了便于观察，在图8 中还有一个纵坐标值为0 的水平面，此水平面与曲面相交，在水平面以上部分则表示软开关效率高，以下部分则表示硬开关效率高。

(a)损耗与输出功率及开关频率的关系 (b)等高线
图9 ZCT 逆变器与硬开关逆变器效率比较(大功率)

图8（b）为图8（a）的俯视图，并且标有等高线。可以看出，当输出功率大于0.4kW的时候，软开关就要比硬开关效率高。同时，还可以看出，图中值为0 的线，也就是软开关与硬开关效率相等的线与开关频率坐标相平行。因此，软开关逆变器是否比对应的硬开关逆变器效率更高，不取决于开关频率。也就是说，只有当输出功率合适的时候，增加开关频率，才可以使得软开关逆变器比硬开关逆变器效率更高。

3.2.2 大功率情况

与小功率情况类似，其输出功率在0~100 kW变化，开关频率在10~20kHz 变化。

当输出功率大于20kW 的时候，软开关逆变器就要比硬开关逆变器效率更高，如图9 所示。

(a)损耗与输出功率及开关频率的关系 (b)等高线
图9 ZCT 逆变器与硬开关逆变器效率比较(大功率)

4 结语

通过对ZCT软开关逆变器以及硬开关逆变器在效率方面的对比研究，得出以下结论。

首先，并不是软开关逆变器的效率一定就比硬开关逆变器的效率高。只有当选择合适的器件、拓扑，并且在合适的输出功率等级条件下，软开关逆变器才有可能比硬开关逆变器有更高的效率。否则，即使增加开关频率也不可能使软开关逆变器具有更高的效率。

其次，在所比较的功率等级以及开关频率范围内，软开关虽然在效率的提高上面有一定的效果，但是都不是很明显，最大的也就是在5.8kW输出100kHz 的时候能够提高1.7%。原因主要有两点：第一，随着功率开关管器件的不断发展，目前市面上的开关器件的开关损耗在总的损耗中所占有的比例也不是很大；第二，开关频率不是很高也是开关损耗在总损耗中所占比例不大的原因之一。

因此，如果要进一步发挥软开关在逆变器应用领域内提高效率的优势，应该考虑将软开关应用到需要更高开关频率的场合。

参考文献

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[6] Casanellas F. Losses in PWM Inverters Using IGBTs[J].IEE Proceedings on Electronic Power Applications,1994,141,235-239.

作者简介

王汝锡（1981-），男，硕士研究生，从事逆变器及电机拖动方向的研究。

刘进军（1970-），男，教授，博士生导师，从事电力电子变换技术、电能质量控制技术等方面的研究。