电容桥电感桥串联谐振变流器.docx

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电容桥电感桥串联谐振变流器

电容桥电感桥串联谐振变流器

的应用

电力电子技术有四大变换技术：

AC-DC，AC-AC，DC-DC和DC-AC，而“电容桥电感桥串联谐振变流器”可以解决DC-DC和DC-AC两大变换的问题。

电容桥电感桥串联谐振变流器属于负载换流。

电容桥电感桥串联谐振变流器从本质上讲是一产生正弦半波交流电的直流斩波电路。

准确地说：

逆变器——静态电力变换器，是由电子开关和离散的交流波形组成。

电子开关处于直流电压作用下，若不采取措施是无法关断的。

在逆变电路中，电子开关的换流问题至关重要。

所谓换流，就是指电子开关支路的电流转换，而换流的结果是让原先导通的电子开关关断，而让原先关断的导通。

逆变器按换流方式分类可分为：

器件换流，电网换流，负载换流和强迫换流四种。

器件换流只适用于全控型器件，即有自关断能力的器件，如IGBT、电力MOSFET、GTR、GTO等。

其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。

器件换流和强迫换流都是因为器件或变流器自身的原因而实现换流的，属于自换流；电网换流和负载换流不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部因素（电网电压或负载电压）来实现换流的，属于外部换流。

电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史，但由于他对国民经济有明显作用，受到国内外的普遍重视，因而发展相当迅速，以致目前所用的技术，无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和系统性能等方面均与早期有明显差别。

早期的功率器件是晶体闸流管（简称晶闸管或SCR），由于它和充气闸流管相比，在功率密度、开关速度、工作寿命和功率损耗等方面均占优势，因而淘汰了后者并促使半导体变流技术的迅速发展。

SCR是一种半控型器件，由它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是开关容量大，技术成熟，但电路结构复杂，开关频率不高，功率密度和整机效率依然偏低。

GTR的应用，使电力电子电路由半控型转为全控型，并在不同程度上克服了SCR电路存在的缺点，因而在中小功率领域中出现了GTR电路取代SCR电路的局面。

和功率场效应管（PowerMOSFET）相比，GTR具有导通内阻低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊于前者，因为GTR是一种电流控制型器件，其开通增益仅为5~10，这对大功率器件控制电路的制作工艺和电能消耗都是沉重的负担。

此外，为降低噪音，现代电源要求以超音频运行，但在硬开关环境中，GTR的典型开关频率仅为5KHz，这显然无法满足上述要求；与此相反，MOSFET是一种电压控制型器件，控制功率极低；它同时又是一种高频器件，完全能在超音频硬开关环境中工作，但其输出特性却不如GTR。

由此看来，GTR和功率MOSFET的优缺点具有明显的互补性，因此希望研制一种新型器件，其输入特性和开关频率与MOSFET相似；而输出特性和开关容量则与GTR相似，这种器件就是IGBT，实际上它是一种用MOS栅控制的晶体管。

由于IGBT具有GTR和PowerMOSFET都无法具备的性能，在短短几年时间，IGBT就完全占据了原先GTR的应用领域并使电力电子技术进入到超音频时代。

在高压大功率领域，门极可关断晶闸管（GTO）的成功应用，使该领域的变流电路省去复杂的阳极关断电路（换流电路）。

但GTO存在关断不均匀，易因局部过热而失败；此外GTO也是一种电流控制型器件，其关断增益仅为3~5，需要复杂而昂贵的驱动电路和缓冲电路。

由于这些弱点，限制了GTO的广泛应用。

当初人们曾寄希望于MOS门控晶闸管（MCT），但经历了17年的研制和生产之后不得不宣告终止，令人叹息。

在高压大功率全控型器件中，集成门极换流晶闸管（IGCT）是一种将门极驱动电路与芯片集成封装的门极换流晶闸管（GCT），其表现很引人关注。

它是在GTO和IGBT的基础上发展起来的，兼具两者的优点，又能克服两者的缺点。

以成本为例说明，本来GTO芯片很便宜，但因外围电路价格昂贵，使组件的总成本明显升高；相反，虽然IGBT外围电路简单，但芯片成本太高；IGCT是以GTO芯片为基础，但可省去关断缓冲电路，因而器件的总体成本最低。

目前GTO已失去其原先占有的4.5kV以下的国际市场，并由IGCT和IGBT取而代之。

由于这两种器件正处于发展阶段，可以预计，高于4.5kV的GTO市场也将受到它们的挑战。

电力电子技术的发展是伴随着电力电子器件的发展的，而电力电子器件的发展又受到材料、技术的制约不能如人们所设想的那样发展，如人们寄予厚望的MOS门控晶闸管（MCT），在经历了17年的研制和生产之后不得不宣告终止；MOSFRET、IGBT、GTR、GTO、IGCT虽然能自己关断、也能在较高频率下运行，但是其电压和电流定额仍然没有能够超过SCR。

而且开关的损耗，特别是关断时的电压、电流应力必然产生很大的能耗，因此就设法改善器件在电路中的开关环境，创造在零电压和零电流环境条件下的开关——即软开关方式也使得控制策略和控制电路变得复杂，复杂的控制策略和控制电路又使成本提高、可靠性降低。

尽管普通晶闸管SCR存在关断的困难，如果能够解决，仍然是近期大功率斩波应用的主导方向。

理由是普通晶闸管的其他优点是晶体管无法代替的。

而“电容桥电感桥串联谐振变流器”的出现，用电路拓扑结构——软件，弥补了SCR硬件的不足，开启了SCR应用的新纪元。

电容桥电感桥串联谐振变流器的拓扑如下图：

电容桥电感桥串联谐振变流器属于负载换流。

电容桥电感桥串联谐振变流器从本质上讲是一产生正弦半波交流电的直流斩波电路，它通过LRC的振荡，将直流电流斩断成离散的正弦半波。

它利用了振荡，使电感的储能转移到电容；它利用了电子开关，使转移到电容的无功电流并不向电源转移，而是改变方向变成附加电源向负载供电。

由于利用了LRC的振荡，线路里的电流自然过零，使得电子开关只需开无需关。

下图是用PSpice做的电容桥电感桥串联谐振变流器计算机数值计算

下图之蓝线为电流曲线，红线为电容端电压曲线，绿线为电感端电压曲线，

电容桥电感桥串联谐振变流器的工作过程

1、初始电路呈感性：

电流不能突变，电容电压为零，电感电压跃变为E——电源电压。

2、电路电流逐渐升高：

电容器充电、电压逐渐升高，电感电压逐渐降低。

3、电容充电至电源电压，电路电流达到最大值。

4、电容充电至最大值时，相当于“电感回路断开”，此时电路仍然导通，电路电流的大小和方向都不变，电感的储能经过电源内阻r向谐振电容充电，经过1/4周期，能量转换完成。

电流曲线：

电感电压曲线：

无需关，就没有关断的损耗；无需关，就无需关断电路，系统就简单。

自己电流过零，就是真正的软关断而无需再创造软关断的环境，系统就简单。

无功电流无需返回电源，就无需无功补偿，功率因素就高，系统就简单。

以上条件就为SCR的应用创造了条件，也为SCR提供了充分发挥其长处的环境。

特别是SCR的低频特性，甚至能通过直流电流，而这是MOSFRET、IGBT、GTR望尘莫及的，就可以用SCR直接振荡产生工频正弦波，低频甚至超低频正弦波。

当然，直接振荡产生工频，低频正弦波需要体积较大的变压器，但是它的系统结构非常简单，可靠性高，完全可以在低频、超低频逆变方面大有作为。

SCR在电容桥电感桥串联谐振变流器中，由于无需强迫关断，故没有强迫关断所需的复杂而高耗能的关断系统，同时改变了SCR基本工作机理，原来为强迫关断而设置的SCR“关断时间”已经不适用于应用于在电容桥电感桥串联谐振变流器中的SCR。

在实践中，原来额定70微秒关断时间的普通SCR，在电容桥电感桥串联谐振变流器中已经可以良好运行于20kHz的频率，而在强迫换流的SCR系统中，SCR一般工作在400~1000Hz。

而这就带来了对SCR工作机理的重新认识和对SCR的价值的重新定位问题。

现在，原来额定70微秒关断时间的普通SCR（RT151），在电容桥电感桥串联谐振变流器中已经可以良好运行于20kHz的频率，那么，通过对SCR的改进完全可以使它在更高的频率下运行。

由于SCR在电容桥电感桥串联谐振变流器中可以运行于20kHz的频率，可以无噪音运行，可以和工频相比极大地减小逆变器的体积，实现高频化和小型化。

电容桥电感桥串联谐振变流器的电路非常简单，控制策略也非常简单；由于只有触发开通，而且SCR的触发增益极高，可以用很小的电流开通巨大的电流，如阳极电流为100A的SCR，只需60mA的触发电流。

一、电容桥电感桥串联谐振变流器用于大功率逆变的具体方案：

1、由于SCR极好的低频特性，使得通过LRC振荡直接由直流电产生正弦交流电成为可能，这是“整流”真正的逆向。

而这是用IGBT、GTR、MOSFET无法做到的，其缺点是需要体积大的变压器将电能输送出去，而这对输电和电动机再生发电来说是不成问题的。

本方案的特点是电路结构简单，可靠性高；没有谐波，故无需滤波。

2、高频方案：

SCR经实践证明也可以在音频甚至超音频下工作，因此，也可以用SCR由LRC振荡产生高频正弦波，再经周波变换器转换为需要的低频或工频正弦波。

本方案的特点是输出变压器比工频变压器小得多，即体积很小，但是电路结构比前述方案要复杂得多，控制策略也要复杂得多，有高频谐波，须用滤波器滤除。

实测的电流半波波形电流曲线几乎可以调节的连接起来。

电感电压曲线：

电容电压曲线：