CN111478612A - 一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器 - Google Patents

一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括主电路和辅助电路；移相全桥网络经隔离变压器为辅助谐振极电感充能，实现主开关的ZVS；激磁电感中的储能实现辅助开关的ZVS。换流充能相位与复位相位锁定反相关联，实现磁化电流双向复位并减少了磁芯体积。稳压管钳位有效保护辅助换流二极管。本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关和辅助开关的零电压开通，减少了主开关的开关损耗，有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI，此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关；变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管Dc1和Dc2的过压问题。

Description

一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子变流技术领域，尤其涉及一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器。
背景技术
电压源型逆变器(VSI)，本质上是一个全控型开关半桥构成的同步整流型升降压变换器，广泛应用于各种功率等级的应用中，例如：电机驱动器，有源电力滤波器，不间断电源(UPS)，光伏电源系统，燃料电池电源系统和分布式电网等。其研究核心是提高效率和功率密度。
在硬开关条件下，通常通过增加开关频率减小无源元件(例如滤波电感器和电容器)的尺寸和重量来提高功率密度，但增加开关频率会导致开关损耗和高频电磁干扰(EMI)的增加，进而降低逆变器的效率。在VSI中，电路为一个逆变半桥和连在半桥中点的电感；硬开关时，续流模式之后，将要开通的开关管在开通瞬间反并联二极管和输出电容中储存的能量Qrr，Qoss释放到开关管的沟道中从而产生尖峰电流，开通损耗和高频电磁干扰(EMI)。克服上述问题(开关损耗和EMI)一种方法是开关器件技术进步，另一种方法是软开关拓扑技术。
宽禁带半导体例如SiC和GaN相对于传统的Si功率半导体有更快的开通和关断时间,更低的关断损耗和更低的寄生电容；但更快的开关时间会造成更大的高频电磁干扰(EMI)。另外SiC存在栅极开通和关断条件苛刻，成本高等问题。
软开关拓扑技术可以在高开关频率下降低开关损耗和EMI。软开关拓扑是通过增加辅助电路将开关管的电流和电压的过渡沿去耦的方法来降低开关损耗。在众多软开关逆变器拓扑中，辅助谐振极软开关逆变器由于没有额外增加主回路中开关管的电压和电流应力且辅助回路仅在开关管换流时工作不影响主电路的正常运行而受到普遍认可。
已有技术，见IEEE Transactions on Power Electronics杂志2010年第25卷第4期刊登的“An Improved Zero-Voltage Switching Inverter Using Two CoupledMagnetics in One Resonant Pole”一文，该双耦合电感(ZVT-2CI)电路可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关并解决了激磁电流不能复位的问题。换流二极管无钳位措施，在谐振电流降至0后会造成换流二极管两端承受电压约为2倍的直流母线电压，且会引起二极管未钳位端电位振荡；已有技术，见IEEE 2013 15th European Conference onPower Electronics and Applications (EPE)的New topology of three phase softswitching inverter using a dual auxiliary circuit一文，可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关通过断开激磁电流的续流路径从而复位磁化电流。但二极管串联在大电流回路上会增加额外的损耗。上述两种方法一个耦合电感只能实现一个主开关管的零电压开通，因此需要在一个辅助电路中使用两个耦合电感，因此增加了变压器的体积、成本和漏感损耗。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，实现了主开关和辅助开关的零电压开通；有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI。
为实现本发明目的而提供的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括有第一主开关管(S1)、第二主开关管(S2)、第一换流二极管(Dc1)、第二换流二极管(Dc2)、直流电源(VDC)、辅助电源(VAUX)、负载(Load)、第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)、谐振电感(Lr1)、谐振电感(Lr2)、辅助换流变压器原边绕组(T1)、辅助换流变压器副边第一绕组(T2)、辅助换流变压器副边第二绕组(T3)、第一续流二极管(Dx1)、第二续流二极管(Dx2)、第一稳压二极管(Dz1)、第二稳压二极管(Dz2)、第一辅助开关管(Sa1)、第二辅助开关管(Sa2)、第三辅助开关管(Sa3)、第四辅助开关管(Sa4)、滞后桥臂(AC-Lead)、超前桥臂(AC-Lag)、激磁电感(Lm)，第一主开关管(S1)的源极、第二主开关管(S2)的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管(S1)的漏极，第一换流二极管(Dc1)的负极，与直流电源(VDC)正极相连；直流电源(VDC)的负极与第二主开关管(S2)的源极，第二换流二极管(Dc2)的正极相连；负载(Load)的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)的中点相连；谐振电感(Lr1)的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的同名端和第一换流二极管(Dc1)的正极和第一续流二极管(Dx1)的负极相连；第一续流二极管(Dx1)的正极和第一稳压二极管(Dz1)的正极相连，第一稳压二极管(Dz1)的负极和主开关桥臂的中点O点相连；谐振电感(Lr2)的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的异名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端和第二换流二极管(Dc2)的负极和第二续流二极管(Dx2)的负极相连；第二续流二极管(Dx2)的正极和第二稳压二极管(Dz2)的正极相连，第二稳压二极管(Dz2)的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管(Sa1)的源极和第二辅助开关管(Sa2)的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂(AC-Lag)；第三辅助开关管(Sa3)的源极和第四辅助开关管(Sa4)的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂(AC-Lead)；第一辅助开关管(Sa1)的漏极和第三辅助开关管(Sa3)的漏极与辅助电源(VAUX)的正极相连，辅助电源(VAUX)的负极与第二辅助开关管(Sa2)的源极，第四辅助开关管(Sa4)的源极相连；辅助换流变压器原边绕组(T1)的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连，异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连；激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组(T1)两端；辅助换流变压器副边第一绕组(T2)和第二绕组(T3)的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组(T1)的匝数与T2(或T3)的匝数比为1/n，所述第一续流二极管(Dx1)和第二续流二极管(Dx2)的作用是在第一换流二极管(Dc1)和第二换流二极管(Dc2)反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T2->Lr1->DZ1->DX1->T2和T3->DZ2->DX2->Lr2->T3。
作为上述方案的进一步改进，当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S2、Sa1、Sa3处于导通状态，S1、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4；
Figure BDA0002454440450000021
Sa4导通后延迟DP2,关断S2；
Figure BDA0002454440450000022
S2关断后延迟DP3,关断Sa1；
Figure BDA0002454440450000023
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2；
Figure BDA0002454440450000024
Sa2导通后延迟DP5,导通S1；
Figure BDA0002454440450000025
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP6，导通S2；
Figure BDA0002454440450000026
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3；
Figure BDA0002454440450000031
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2；
Figure BDA0002454440450000032
关断Sa2延迟DP9，导通Sa1；
Figure BDA0002454440450000033
负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S1、Sa1、Sa3处于导通状态，S2、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DN1,导通Sa4；
Figure BDA0002454440450000034
Sa4导通后延迟DN2,关断S1；
Figure BDA0002454440450000035
S1关断后延迟DN3,关断Sa1；
Figure BDA0002454440450000036
Sa1关断后延迟DN4,导通Sa2；
Figure BDA0002454440450000037
Sa2导通后延迟DN5,导通S2；
Figure BDA0002454440450000038
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN6，导通S1；
Figure BDA0002454440450000039
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3；
Figure BDA0002454440450000041
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2；
Figure BDA0002454440450000042
关断Sa2延迟DN9，导通Sa1；
Figure BDA0002454440450000043
以下参数均为输入量：VDC为直流母线电压；VAUX为辅助电源电压；T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间；T3B为S1(S2)最短开通时间；Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分；Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容：Cm_oss＝C1＝C2；Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss＝Ca1＝Ca2＝Ca3＝Ca4；
以下参数均可根据输入量约束表达；V′AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure BDA0002454440450000044
为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure BDA0002454440450000045
Figure BDA0002454440450000046
Figure BDA0002454440450000047
Figure BDA0002454440450000048
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后，将iLoad＝0代入，之和所得的t1-t3的时间间隔；T1A_min为负载电流为0时，Sa4ZVS开通时间T1A的值。
作为上述方案的进一步改进，当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S2处于导通状态；负载电流ILoad通过S2续流；Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure BDA0002454440450000051
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure BDA0002454440450000052
从零开始增加；激磁电流
Figure BDA0002454440450000053
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure BDA0002454440450000054
表达式为：
Figure BDA0002454440450000055
Figure BDA0002454440450000056
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure BDA0002454440450000057
和换流电流
Figure BDA0002454440450000058
Figure BDA0002454440450000059
Figure BDA00024544404500000510
其中ωa为谐振角频率：
Figure BDA00024544404500000511
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure BDA00024544404500000512
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure BDA00024544404500000513
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure BDA00024544404500000514
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为：
Figure BDA0002454440450000061
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure BDA0002454440450000062
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure BDA0002454440450000063
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT (33)
其中：Ir为换流电流
Figure BDA0002454440450000064
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure BDA0002454440450000065
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为：
Figure BDA0002454440450000066
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S2关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电，O点的电位开始谐振上升；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure BDA0002454440450000067
Figure BDA0002454440450000068
其中：
Figure BDA0002454440450000069
t3时刻，O点电位上升至VDC-V′AUX；本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500000610
其中：
Figure BDA00024544404500000611
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为：
DP3＝T2-3 \*MERGEFORMAT (46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位升至VDC-V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure BDA0002454440450000071
激磁电流
Figure BDA0002454440450000072
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure BDA0002454440450000073
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为：
DP4＝T3-4 \*MERGEFORMAT (42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S1换流时间为：
Figure BDA0002454440450000074
由,得：S1ZVS开通模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000075
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为：
Figure BDA0002454440450000076
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S1，负载电流iLoad对C1充电，C2放电，O点电位线性下降；t7时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；S2可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure BDA0002454440450000077
S1关断到S2导通时间间隔DP6为：
DP6＝T6-7 \*MERGEFORMAT (48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure BDA0002454440450000078
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure BDA0002454440450000079
表达式为：
Figure BDA00024544404500000710
Figure BDA00024544404500000711
其中：
Figure BDA0002454440450000081
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000082
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUX，Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure BDA0002454440450000083
Sa3的软开通时间为：
Figure BDA0002454440450000084
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为：
Figure BDA0002454440450000085
t10时刻,励磁电流
Figure BDA0002454440450000086
增至
Figure BDA0002454440450000087
本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000088
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为：
Figure BDA0002454440450000089
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure BDA00024544404500000810
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500000811
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为：
DP9＝T10-11 \*MERGEFORMAT (59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S1处于导通状态；负载电流ILoad通过S1续流，Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure BDA00024544404500000812
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure BDA0002454440450000091
从零开始增加；激磁电流
Figure BDA0002454440450000092
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure BDA0002454440450000093
表达式为：
Figure BDA0002454440450000094
Figure BDA0002454440450000095
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure BDA0002454440450000096
和换流电流
Figure BDA0002454440450000097
Figure BDA0002454440450000098
Figure BDA0002454440450000099
其中ωa为谐振角频率：
Figure BDA00024544404500000910
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure BDA00024544404500000911
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7为本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure BDA00024544404500000912
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure BDA00024544404500000913
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:
Figure BDA0002454440450000101
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure BDA0002454440450000102
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure BDA0002454440450000103
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT (33)
其中：Ir为换流电流
Figure BDA0002454440450000104
中超过负载电流的部分
联立，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure BDA0002454440450000105
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为：
Figure BDA0002454440450000106
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S1关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电，O点的电位开始谐振下降；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure BDA0002454440450000107
Figure BDA0002454440450000108
其中：
Figure BDA0002454440450000109
t3时刻，O点电位下降至V′AUX；本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500001010
其中：
Figure BDA00024544404500001011
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为：
DN3＝T2-3 \*MERGEFORMAT (46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位降至V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure BDA0002454440450000111
激磁电流
Figure BDA0002454440450000112
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure BDA0002454440450000113
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为：
DN4＝T3-4 \*MERGEFORMAT (42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S2换流时间为：
Figure BDA0002454440450000114
由,得：S2ZVS开通模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000115
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为：
Figure BDA0002454440450000116
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S2，负载电流iLoad对C2充电，C1放电，O点电位线性上升；t7时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；S1可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure BDA0002454440450000117
S1关断到S2导通时间间隔DN6为：
DN6＝T6-7 \*MERGEFORMAT (48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure BDA0002454440450000118
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure BDA0002454440450000119
表达式为：
Figure BDA00024544404500001110
Figure BDA00024544404500001111
其中：
Figure BDA0002454440450000121
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000122
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUXDa3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure BDA0002454440450000123
Sa3的软开通时间为：
Figure BDA0002454440450000124
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为：
Figure BDA0002454440450000125
t10时刻,励磁电流
Figure BDA0002454440450000126
增至
Figure BDA0002454440450000127
本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000128
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为：
Figure BDA0002454440450000129
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure BDA00024544404500001210
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500001211
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为：
DN9＝T10-11 \*MERGEFORMAT (59)
由以上电路结构和工作原理的分析可知，主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容；辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感；以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析)；
当V′AUX小于VDC/2时，在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流；且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13]，因此S2的关断电流在满足式时，主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10)：
Figure BDA0002454440450000131
其中ILoad_rms为负载电流有效值；
在实际的电路运行过程中，负载电流检测存在误差，导致Ir的误差，影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B，式和求和之后对Ir求导，当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值；
Figure BDA0002454440450000132
联立,,：
Figure BDA0002454440450000133
由，得：
Figure BDA0002454440450000134
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure BDA0002454440450000135
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间，联立，，得：
Figure BDA0002454440450000136
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t1)大小相等，方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化)：
Figure BDA0002454440450000137
其中T13为负载不同时式，之和所得的t1-t3的时间间隔，因此每个开关周期的
Figure BDA0002454440450000138
不同；由和可看出当负载电流为0时，
Figure BDA0002454440450000139
和T1A值最小，在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得ZVS开通时间的要求；
将iLoad＝0代入式，之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13＝T13_min \*MERGEFORMAT (104)
联立,，：
Figure BDA0002454440450000141
其中T1A_min为负载电流为0时，Sa4ZVS开通时间T1A的值。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关和辅助开关的零电压开通，减少了主开关的开关损耗，有效提高效率和功率密度，降低成本和EMI，此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关；并在每个开关周期都可靠地实现了磁化电流复位，有效的减小了变压器的体积；变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管Dc1和Dc2的过压问题。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1是已有技术[12]的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路；
图2是已有技术[11]的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路；
图3是本发明的相位关联稳压管钳位磁化电流双向复位的辅助谐振换流极逆变器电路；
图4是第一换流二极管(Dc1)反向恢复电流的续流路径；
图5是第二换流二极管(Dc2)反向恢复电流的续流路径；
图6为本发明电路在输出电流为正时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图；
图7为本发明电路在输出电流为负时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图；
图8是本发明中，一个PWM开关周期内模式2等效电路图；
图9是本发明中，一个PWM开关周期内模式3等效电路图；
图10是本发明中，一个PWM开关周期内模式4等效电路图；
图11是本发明中，一个PWM开关周期内模式8等效电路图；
图12为本发明电路在输出电流为正时，一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形图；
图13本发明电路在输出电流为负时，一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和电流的波形图。
具体实施方式
如图1-图13所示，本发明提供的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，包括有第一主开关管S1、第二主开关管S2、第一换流二极管Dc1、第二换流二极管Dc2、直流电源VDC、辅助电源VAUX、负载Load、第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2、谐振电感Lr1、谐振电感Lr2、辅助换流变压器原边绕组T1、辅助换流变压器副边第一绕组T2、辅助换流变压器副边第二绕组T3、第一续流二极管Dx1、第二续流二极管Dx2、第一稳压二极管Dz1、第二稳压二极管Dz2、第一辅助开关管Sa1、第二辅助开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3、第四辅助开关管Sa4、滞后桥臂AC-Lead、超前桥臂AC-Lag、激磁电感Lm，第一主开关管S1的源极、第二主开关管S2的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管S1的漏极，第一换流二极管Dc1的负极，与直流电源VDC正极相连；直流电源VDC的负极与第二主开关管S2的源极，第二换流二极管Dc2的正极相连；负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2中点相连；谐振电感Lr1的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T2的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T2的同名端和第一换流二极管Dc1的正极和第一续流二极管Dx1的负极相连；第一续流二极管Dx1的正极和第一稳压二极管Dz1的正极相连，第一稳压二极管Dz1的负极和主开关桥臂的中点O点相连；谐振电感Lr2的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组T3的异名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组T3的同名端和第二换流二极管Dc2的负极和第二续流二极管Dx2的负极相连；第二续流二极管Dx2的正极和第二稳压二极管Dz2的正极相连，第二稳压二极管Dz2的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管Sa1的源极和第二辅助开关管Sa2的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lag；第三辅助开关管Sa3的源极和第四辅助开关管Sa4的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lead；第一辅助开关管Sa1的漏极和第三辅助开关管Sa3的漏极与辅助电源VAUX的正极相连，辅助电源VAUX的负极与第二辅助开关管Sa2的源极，第四辅助开关管Sa4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T1的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连，异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连；激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组T1两端；辅助换流变压器副边第一绕组T2和第二绕组T3的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组T1的匝数与T2或T3的匝数比为1/n，所述第一续流二极管Dx1和第二续流二极管Dx2的作用是在第一换流二极管Dc1和第二换流二极管Dc2反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T2->Lr1->DZ1->DX1->T2和T3->DZ2->DX2->Lr2->T3。
作为上述方案的进一步改进，当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S2、Sa1、Sa3处于导通状态，S1、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4；
Figure BDA0002454440450000151
Sa4导通后延迟DP2,关断S2；
Figure BDA0002454440450000152
S2关断后延迟DP3,关断Sa1；
Figure BDA0002454440450000153
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2；
Figure BDA0002454440450000154
Sa2导通后延迟DP5,导通S1；
Figure BDA0002454440450000155
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP6，导通S2；
Figure BDA0002454440450000161
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3；
Figure BDA0002454440450000162
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2；
Figure BDA0002454440450000163
关断Sa2延迟DP9，导通Sa1；
Figure BDA0002454440450000164
负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S1、Sa1、Sa3处于导通状态，S2、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DN1,导通Sa4；
Figure BDA0002454440450000165
Sa4导通后延迟DN2,关断S1；
Figure BDA0002454440450000166
S1关断后延迟DN3,关断Sa1；
Figure BDA0002454440450000167
Sa1关断后延迟DN4,导通Sa2；
Figure BDA0002454440450000168
Sa2导通后延迟DN5,导通S2；
Figure BDA0002454440450000169
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN6，导通S1；
Figure BDA0002454440450000171
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3；
Figure BDA0002454440450000172
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2；
Figure BDA0002454440450000173
关断Sa2延迟DN9，导通Sa1；
Figure BDA0002454440450000174
以下参数均为输入量：VDC为直流母线电压；VAUX为辅助电源电压；T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间；T3B为S1(S2)最短开通时间；Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分；Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容：Cm_oss＝C1＝C2；Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss＝Ca1＝Ca2＝Ca3＝Ca4；
以下参数均可根据输入量约束表达；V′AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure BDA0002454440450000175
为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure BDA0002454440450000176
Figure BDA0002454440450000177
Figure BDA0002454440450000178
Figure BDA0002454440450000179
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后，将iLoad＝0代入，之和所得的t1-t3的时间间隔；T1A_min为负载电流为0时，Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
作为上述方案的进一步改进，当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S2处于导通状态；负载电流ILoad通过S2续流；Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure BDA0002454440450000181
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure BDA0002454440450000182
从零开始增加；激磁电流
Figure BDA0002454440450000183
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure BDA0002454440450000184
表达式为：
Figure BDA0002454440450000185
Figure BDA0002454440450000186
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure BDA0002454440450000187
和换流电流
Figure BDA0002454440450000188
Figure BDA0002454440450000189
Figure BDA00024544404500001810
其中ωa为谐振角频率：
Figure BDA00024544404500001811
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure BDA00024544404500001812
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure BDA00024544404500001813
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure BDA0002454440450000191
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为：
Figure BDA0002454440450000192
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure BDA0002454440450000193
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure BDA0002454440450000194
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT (33)
其中：Ir为换流电流
Figure BDA0002454440450000195
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure BDA0002454440450000196
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为：
Figure BDA0002454440450000197
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S2关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电，O点的电位开始谐振上升；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure BDA0002454440450000198
Figure BDA0002454440450000199
其中：
Figure BDA00024544404500001910
t3时刻，O点电位上升至VDC-V′AUX；本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500001911
其中：
Figure BDA0002454440450000201
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为：
DP3＝T2-3 \*MERGEFORMAT (46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位升至VDC-V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure BDA0002454440450000202
激磁电流
Figure BDA0002454440450000203
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure BDA0002454440450000204
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为：
DP4＝T3-4 \*MERGEFORMAT (42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S1换流时间为：
Figure BDA0002454440450000205
由,得：S1ZVS开通模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000206
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为：
Figure BDA0002454440450000207
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S1，负载电流iLoad对C1充电，C2放电，O点电位线性下降；t7时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；S2可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure BDA0002454440450000208
S1关断到S2导通时间间隔DP6为：
DP6＝T6-7 \*MERGEFORMAT (48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure BDA0002454440450000209
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure BDA00024544404500002010
表达式为：
Figure BDA00024544404500002011
Figure BDA0002454440450000211
其中：
Figure BDA0002454440450000212
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000213
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUX，Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure BDA0002454440450000214
Sa3的软开通时间为：
Figure BDA0002454440450000215
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为：
Figure BDA0002454440450000216
t10时刻,励磁电流
Figure BDA0002454440450000217
增至
Figure BDA0002454440450000218
本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000219
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为：
Figure BDA00024544404500002110
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure BDA00024544404500002111
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500002112
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为：
DP9＝T10-11 \*MERGEFORMAT (59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S1处于导通状态；负载电流ILoad通过S1续流，Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure BDA0002454440450000221
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure BDA0002454440450000222
从零开始增加；激磁电流
Figure BDA0002454440450000223
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure BDA0002454440450000224
表达式为：
Figure BDA0002454440450000225
Figure BDA0002454440450000226
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure BDA0002454440450000227
和换流电流
Figure BDA0002454440450000228
Figure BDA0002454440450000229
Figure BDA00024544404500002210
其中ωa为谐振角频率：
Figure BDA00024544404500002211
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure BDA00024544404500002212
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7为本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure BDA00024544404500002213
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure BDA00024544404500002214
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:
Figure BDA0002454440450000231
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure BDA0002454440450000232
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure BDA0002454440450000233
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT (33)
其中：Ir为换流电流
Figure BDA0002454440450000234
中超过负载电流的部分
联立，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure BDA0002454440450000235
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为：
Figure BDA0002454440450000236
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S1关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电，O点的电位开始谐振下降；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure BDA0002454440450000237
Figure BDA0002454440450000238
其中：
Figure BDA0002454440450000239
t3时刻，O点电位下降至V′AUX；本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500002310
其中：
Figure BDA0002454440450000241
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为：
DN3＝T2-3 \*MERGEFORMAT (46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位降至V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure BDA0002454440450000242
激磁电流
Figure BDA0002454440450000243
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure BDA0002454440450000244
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为：
DN4＝T3-4 \*MERGEFORMAT (42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S2换流时间为：
Figure BDA0002454440450000245
由,得：S2ZVS开通模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000246
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为：
Figure BDA0002454440450000247
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S2，负载电流iLoad对C2充电，C1放电，O点电位线性上升；t7时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；S1可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure BDA0002454440450000248
S1关断到S2导通时间间隔DN6为：
DN6＝T6-7 \*MERGEFORMAT (48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure BDA0002454440450000249
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure BDA00024544404500002410
表达式为：
Figure BDA0002454440450000251
Figure BDA0002454440450000252
其中：
Figure BDA0002454440450000253
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure BDA0002454440450000254
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUXDa3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure BDA0002454440450000255
Sa3的软开通时间为：
Figure BDA0002454440450000256
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为：
Figure BDA0002454440450000257
t10时刻,励磁电流
Figure BDA0002454440450000258
增至
Figure BDA0002454440450000259
本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500002510
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为：
Figure BDA00024544404500002511
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure BDA00024544404500002512
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure BDA00024544404500002513
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为：
DN9＝T10-11 \*MERGEFORMAT (59)
由以上电路结构和工作原理的分析可知，主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容；辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感；以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析)；
当V′AUX小于VDC/2时，在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流；且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13]，因此S2的关断电流在满足式时，主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10)：
Figure BDA0002454440450000261
其中ILoad_rms为负载电流有效值；
在实际的电路运行过程中，负载电流检测存在误差，导致Ir的误差，影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B，式和求和之后对Ir求导，当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值；
Figure BDA0002454440450000262
联立,,：
Figure BDA0002454440450000263
由，得：
Figure BDA0002454440450000264
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure BDA0002454440450000265
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间，联立，，得：
Figure BDA0002454440450000266
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t1)大小相等，方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化)：
Figure BDA0002454440450000267
其中T13为负载不同时式，之和所得的t1-t3的时间间隔，因此每个开关周期的
Figure BDA0002454440450000268
不同；由和可看出当负载电流为0时，
Figure BDA0002454440450000271
和T1A值最小，在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得ZVS开通时间的要求；
将iLoad＝0代入式，之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13＝T13_min \*MERGEFORMAT (104)
联立,，：
Figure BDA0002454440450000272
其中T1A_min为负载电流为0时，Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
辅助换流变压器TX由一个原边绕组T1(绕组匝数为N1)，两个副边绕组T2、T3(绕组匝数为N2、N3)的理想变压器(其匝比n＝N2/N1＝N3/N1)和励磁电感Lm组成；
当输出电流为正时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图如图4所示，各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形见图10。当输出电流为负时，一个PWM开关周期内各模式电路状态图如图5所示，各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形见图11。
以下分别对输出电流为正和为负两种情况进行分析。由于负载电感足够大，所以认为在一个PWM开关周期内负载电流恒定不变。
回路中各电气变量参考正方向与图3中箭头方向一致。
输入参数如表1所示：
输入DC电压(V<sub>DC</sub>) 400V
辅助电压(V<sub>AUX</sub>) 20V
开关频率(f<sub>sw</sub>) 20KHz
C<sub>m_oss</sub> 100pF
C<sub>a_oss</sub> 1000pF
I<sub>r</sub> 2A
T<sub>1A</sub> 10ns
T<sub>3B</sub> 10ns
表1输入参数
根据输入参数的约束计算出的电感和变压器具体值如表2
换流电感(L<sub>r</sub>) 4.21uH
激磁电感(L<sub>m</sub>) 954nH
变压器副边电压(V′<sub>AUX</sub>) 60V
表2
各持续时间和
Figure BDA0002454440450000273
与负载电流的关系如下：
Figure BDA0002454440450000274
Figure BDA0002454440450000281
Figure BDA0002454440450000282
DP3＝DN3＝T2-3＝23.5ns \*MERGEFORMAT (109)
Figure BDA0002454440450000283
Figure BDA0002454440450000284
Figure BDA0002454440450000285
Figure BDA0002454440450000286
Figure BDA0002454440450000287
Figure BDA0002454440450000288
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：包括有第一主开关管(S1)、第二主开关管(S2)、第一换流二极管(Dc1)、第二换流二极管(Dc2)、直流电源(VDC)、辅助电源(VAUX)、负载(Load)、第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)、谐振电感(Lr1)、谐振电感(Lr2)、辅助换流变压器原边绕组(T1)、辅助换流变压器副边第一绕组(T2)、辅助换流变压器副边第二绕组(T3)、第一续流二极管(Dx1)、第二续流二极管(Dx2)、第一稳压二极管(Dz1)、第二稳压二极管(Dz2)、第一辅助开关管(Sa1)、第二辅助开关管(Sa2)、第三辅助开关管(Sa3)、第四辅助开关管(Sa4)、滞后桥臂(AC-Lead)、超前桥臂(AC-Lag)、激磁电感(Lm)，第一主开关管(S1)的源极、第二主开关管(S2)的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管(S1)的漏极，第一换流二极管(Dc1)的负极，与直流电源(VDC)正极相连；直流电源(VDC)的负极与第二主开关管(S2)的源极，第二换流二极管(Dc2)的正极相连；负载(Load)的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)的中点相连；谐振电感(Lr1)的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的异名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的同名端和第一换流二极管(Dc1)的正极和第一续流二极管(Dx1)的负极相连；第一续流二极管(Dx1)的正极和第一稳压二极管(Dz1)的正极相连，第一稳压二极管(Dz1)的负极和主开关桥臂的中点O点相连；谐振电感(Lr2)的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的异名端相连；辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端和第二换流二极管(Dc2)的负极和第二续流二极管(Dx2)的负极相连；第二续流二极管(Dx2)的正极和第二稳压二极管(Dz2)的正极相连，第二稳压二极管(Dz2)的负极和主开关桥臂的中点O点相连；第一辅助开关管(Sa1)的源极和第二辅助开关管(Sa2)的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂(AC-Lag)；第三辅助开关管(Sa3)的源极和第四辅助开关管(Sa4)的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂(AC-Lead)；第一辅助开关管(Sa1)的漏极和第三辅助开关管(Sa3)的漏极与辅助电源(VAUX)的正极相连，辅助电源(VAUX)的负极与第二辅助开关管(Sa2)的源极，第四辅助开关管(Sa4)的源极相连；辅助换流变压器原边绕组(T1)的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连，异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连；激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组(T1)两端；辅助换流变压器副边第一绕组(T2)和第二绕组(T3)的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组(T1)的匝数与T2(或T3)的匝数比为1/n，所述第一续流二极管(Dx1)和第二续流二极管(Dx2)的作用是在第一换流二极管(Dc1)和第二换流二极管(Dc2)反向恢复过程中为反向电流提供续流路径，续流路径分别为T2->Lr1->DZ1->DX1->T2和T3->DZ2->DX2->Lr2->T3。
2.根据权利要求1所述的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：
当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S2、Sa1、Sa3处于导通状态，S1、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4；
Figure FDA0002454440440000011
Sa4导通后延迟DP2,关断S2；
Figure FDA0002454440440000012
S2关断后延迟DP3,关断Sa1；
Figure FDA0002454440440000013
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2；
Figure FDA0002454440440000021
Sa2导通后延迟DP5,导通S1；
Figure FDA0002454440440000022
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP6，导通S2；
Figure FDA0002454440440000023
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3；
Figure FDA0002454440440000024
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2；
Figure FDA0002454440440000025
关断Sa2延迟DP9，导通Sa1；
Figure FDA0002454440440000026
负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为：
电路处于稳定状态，S1、Sa1、Sa3处于导通状态，S2、Sa2、Sa4处于关断状态；换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa3；
Sa3关断后延迟DN1，导通Sa4；
Figure FDA0002454440440000027
Sa4导通后延迟DN2,关断S1；
Figure FDA0002454440440000028
S1关断后延迟DN3,关断Sa1；
Figure FDA0002454440440000029
Sa1关断后延迟DN4,导通Sa2；
Figure FDA0002454440440000031
Sa2导通后延迟DN5,导通S2；
Figure FDA0002454440440000032
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN6，导通S1；
Figure FDA0002454440440000033
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3；
Figure FDA0002454440440000034
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2；
Figure FDA0002454440440000035
关断Sa2延迟DN9，导通Sa1；
Figure FDA0002454440440000036
以下参数均为输入量：VDC为直流母线电压；VAUX为辅助电源电压；T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间；T3B为S1(S2)最短开通时间；Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分；Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容：Cm_oss＝C1＝C2；Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss＝Ca1＝Ca2＝Ca3＝Ca4；
以下参数均可根据输入量约束表达；V’AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure FDA0002454440440000037
为辅助开关换流前的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure FDA0002454440440000038
Figure FDA0002454440440000039
Figure FDA0002454440440000041
Figure FDA0002454440440000042
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后，将iLoad＝0代入，之和所得的t1-t3的时间间隔；T1A_min为负载电流为0时，Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
3.根据权利要求1所述的一种相位关联稳压管钳位的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：
当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S2处于导通状态；负载电流ILoad通过S2续流；Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure FDA0002454440440000043
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure FDA0002454440440000044
从零开始增加；激磁电流
Figure FDA0002454440440000045
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure FDA0002454440440000046
表达式为：
Figure FDA0002454440440000047
Figure FDA0002454440440000048
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure FDA0002454440440000049
和换流电流
Figure FDA00024544404400000410
Figure FDA00024544404400000411
Figure FDA00024544404400000412
其中ωa为谐振角频率：
Figure FDA00024544404400000413
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure FDA0002454440440000051
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure FDA0002454440440000052
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure FDA0002454440440000053
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为：
Figure FDA0002454440440000054
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure FDA0002454440440000055
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure FDA0002454440440000056
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT(33)
其中：Ir为换流电流
Figure FDA0002454440440000059
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure FDA0002454440440000057
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为：
Figure FDA0002454440440000058
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S2关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电，O点的电位开始谐振上升；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure FDA0002454440440000061
Figure FDA0002454440440000062
其中：
Figure FDA0002454440440000063
t3时刻，O点电位上升至VDC-V'AUX；本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000064
其中：
Figure FDA0002454440440000065
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为：
DP3＝T2-3 \*MERGEFORMAT(46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位升至VDC-V'AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure FDA0002454440440000066
激磁电流
Figure FDA0002454440440000067
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure FDA0002454440440000068
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为：
DP4＝T3-4 \*MERGEFORMAT(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S1换流时间为：
Figure FDA0002454440440000069
由,得：S1 ZVS开通模式持续时间为：
Figure FDA00024544404400000610
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为：
Figure FDA00024544404400000611
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S1，负载电流iLoad对C1充电，C2放电，O点电位线性下降；t7时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；S2可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure FDA0002454440440000071
S1关断到S2导通时间间隔DP6为：
DP6＝T6-7 \*MERGEFORMAT(48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure FDA0002454440440000072
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure FDA0002454440440000073
表达式为：
Figure FDA0002454440440000074
Figure FDA0002454440440000075
其中：
Figure FDA0002454440440000076
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000077
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUX，Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure FDA0002454440440000078
Sa3的软开通时间为：
Figure FDA0002454440440000079
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为：
Figure FDA00024544404400000710
t10时刻,励磁电流
Figure FDA00024544404400000711
增至
Figure FDA00024544404400000712
本模式持续时间为：
Figure FDA00024544404400000713
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为：
Figure FDA0002454440440000081
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure FDA0002454440440000082
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000083
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为：
DP9＝T10-11 \*MERGEFORMAT(59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为：
模式1(t<t0)：电路处于稳定状态，S1处于导通状态；负载电流ILoad通过S1续流，Sa1、Sa3导通，激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure FDA0002454440440000084
模式2(t0-t1)：t0时刻，关断Sa3；换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振，R点电位下降，等效电路图如图6所示；换流电感电流
Figure FDA0002454440440000085
从零开始增加；激磁电流
Figure FDA0002454440440000086
向正方向变化；
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure FDA0002454440440000087
表达式为：
Figure FDA0002454440440000088
Figure FDA0002454440440000089
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系，激磁电感电流
Figure FDA00024544404400000810
和换流电流
Figure FDA00024544404400000811
Figure FDA00024544404400000812
Figure FDA00024544404400000813
其中ωa为谐振角频率：
Figure FDA00024544404400000814
在t1时刻，Sa3两端电压谐振到VAUX，根据本谐振模式的时间为:
Figure FDA0002454440440000091
模式3(t1-t2)：t1时刻，R点电位降至0，Da4自然导通，Sa4达到ZVS换流条件，图7为本模式的等效电路图；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电感电流线性增加；tA时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure FDA0002454440440000092
辅助管Sa4的软开通时间为：
Figure FDA0002454440440000093
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:
Figure FDA0002454440440000094
充电模式(t1-t2)换流电感电流为：
Figure FDA0002454440440000095
其中：V'AUX为变压器副边电压；
t2时刻，换流电流
Figure FDA0002454440440000096
的值增至最大值：
iLr(t2)＝Ir+iLoad \*MERGEFORMAT(33)
其中：Ir为换流电流
Figure FDA0002454440440000097
中超过负载电流的部分
联立，充电模式(T1-2)的持续时间为：
Figure FDA0002454440440000098
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为：
Figure FDA0002454440440000099
模式4(t2-t3):t2时刻，主开关S1关断，图8为本模式的等效电路图；换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电，O点的电位开始谐振下降；
O点电位vO和换流电流iLr表达式为：
Figure FDA0002454440440000101
Figure FDA0002454440440000102
其中：
Figure FDA0002454440440000103
t3时刻，O点电位下降至V'AUX；本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000104
其中：
Figure FDA0002454440440000105
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为：
DN3＝T2-3 \*MERGEFORMAT(46)
模式5(t3-t5):t3时刻，O点电位降至VA'UX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure FDA0002454440440000106
激磁电流
Figure FDA0002454440440000107
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t4时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t3-t4持续时间为：
Figure FDA0002454440440000108
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为：
DN4＝T3-4 \*MERGEFORMAT(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tB时刻，换流电感电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通；
t5时刻，O点电位上升至VDC；S2换流时间为：
Figure FDA0002454440440000109
由,得：S2ZVS开通模式持续时间为：
Figure FDA00024544404400001010
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为：
Figure FDA00024544404400001011
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻，关断S2，负载电流iLoad对C2充电，C1放电，O点电位线性上升；t7时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；S1可在t7之后控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure FDA0002454440440000111
S1关断到S2导通时间间隔DN6为：
DN6＝T6-7 \*MERGEFORMAT(48)
模式8(t8-t9):t8时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示，激磁电流
Figure FDA0002454440440000112
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure FDA0002454440440000113
表达式为：
Figure FDA0002454440440000114
Figure FDA0002454440440000115
其中：
Figure FDA0002454440440000116
在t9时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000117
模式9(t9-t10):t9时刻，R点电位升至VAUXDa3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T9C之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure FDA0002454440440000118
Sa3的软开通时间为：
Figure FDA0002454440440000119
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为：
Figure FDA00024544404400001110
t10时刻,励磁电流
Figure FDA00024544404400001111
增至
Figure FDA00024544404400001112
本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000121
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为：
Figure FDA0002454440440000122
模式10(t10-t11)：t10时刻,关断Sa2；辅助换流变压器激磁电流
Figure FDA0002454440440000123
对Ca2充电Ca1放电，Q点电位近似线性上升；t11时刻，P点电位升至VAUX，Da1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通Sa1；
本模式持续时间为：
Figure FDA0002454440440000124
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为：
DN9＝T10-11 \*MERGEFORMAT(59)
由以上电路结构和工作原理的分析可知，主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容；辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感；以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析)；
当V'AUX小于VDC/2时，在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流；且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13]，因此S2的关断电流在满足式时，主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10)：
Figure FDA0002454440440000125
其中ILoad_rms为负载电流有效值；
在实际的电路运行过程中，负载电流检测存在误差，导致Ir的误差，影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B，式和求和之后对Ir求导，当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值；
Figure FDA0002454440440000126
联立,,：
Figure FDA0002454440440000127
由，得：
Figure FDA0002454440440000128
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure FDA0002454440440000131
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间，联立，，得：
Figure FDA0002454440440000132
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t1)大小相等，方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化)：
Figure FDA0002454440440000133
其中T13为负载不同时式，之和所得的t1-t3的时间间隔，因此每个开关周期的
Figure FDA0002454440440000134
不同；由和可看出当负载电流为0时，
Figure FDA0002454440440000135
和T1A值最小，在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得ZVS开通时间的要求；
将iLoad＝0代入式，之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13＝T13_min \*MERGEFORMAT(104)
联立,，：
Figure FDA0002454440440000136
其中T1A_min为负载电流为0时，Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
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