CN113659822B - 一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，软开关功率变换器包括主电路和辅助开关支路，所述辅助开关支路包括串联连接的辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2和谐振电感L，其特征在于，在所述辅助开关支路上还串联有饱和电感Lr‑sat，通过在所述辅助开关支路上串联饱和电感Lr‑sat来降低辅助开关支路上电流在过零点处的斜率，以此来达到降低辅助开关支路上的开关器件的开通损耗和反向恢复损耗的目的。本发明有效能降低辅助开关器件的开通损耗和反向恢复损耗，进而有效提高软功率开关变换器开关频率，并且能够更好的满足大功率及超精密定位场合下的使用需求。

Description

一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法
技术领域
本发明涉及电机驱动控制技术领域，具体涉及一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法。
背景技术
在电机的伺服驱动控制系统中，应用最为广泛的是PWM硬开关功率变换器，其具体成本低，控制简单的优点。然而在超精密驱动控制系统中，PWM功率变换器需要工作于高开关频率下，以此来降低输出电流纹波和提高动态响应，PWM硬开关功率变换器工作在高开关频率下时会导致功率变换器的开关损耗大，发热严重，从而降低系统的可靠性和寿命。为了减小功率变换器的开关损耗，提高系统效率和开关频率，出现了软开关功率变换器。
如附图1所示为典型的软开关功率变换器的拓扑图，该软开关功率变换器的主电路由主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4构成全桥电路，还包括一个辅助开关支路，辅助开关支路包括串联连接的辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2和谐振电感L，其中辅助开关支路的两端分别连接在主开关器件S1和主开关器件S3的半桥中点连接处、以及主开关器件S2和主开关器件S4的半桥中点连接处电路，这种结构形式的软开关功率变换器能够现每个主开关器件的软开关，从而达到了减小损耗，提高效率的目的。然而随着开关频率的进一步升高，为避免功率变换器的占空比运行范围过小，软开关功率变换器的谐振电感L的值通常较小，这样就会出现辅助开关器件Sr1和Sr2的开通损耗和反向恢复损耗大的问题，这也成为了限制软功率变换器进一步提高开关频率的瓶颈问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能降低辅助开关器件的开通损耗和反向恢复损耗，进而有效提高软功率开关变换器开关频率的基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，软开关功率变换器包括主电路和辅助开关支路，所述辅助开关支路包括串联连接的辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2和谐振电感L，在所述辅助开关支路上还串联有饱和电感Lr-sat，通过在所述辅助开关支路上串联饱和电感Lr-sat来降低辅助开关支路上电流在过零点处的斜率，以此来达到降低辅助开关支路上的开关器件的反向恢复峰值电流和反向恢复损耗的目的。
本发明的工作原理是：本发明通过在辅助开关支路上串联饱和电感，使得在辅助开关器件Sr1和辅助开关器件Sr2开通时，由于串联了饱和电感Lr-sat，使得整个辅助开关支路上的电感值增加，从而降低了辅助开关器件Sr1和Sr2开通时的电流的上升率，以此来达到降低辅助开关器件Sr1和Sr2开通损耗的目的；同时，在辅助开关器件Sr1和Sr2关断时，由于串联了饱和电感Lr-sat，也会使得关断时电流的上升率降低，进而达到减小关断时辅助开关器件Sr1和Sr2体二极管的反向恢复损耗和反向恢复电流的效果。
同时，由于饱和电感Lr-sat的特性：饱和电感在电流较小时有明确的初始电感量，这个电感是一个非线性特性非常显著的电感，随着电流的增加，电感量减少，一直到0，即进入饱和状态，这样就会使得饱和电感只作用在电流过零点附近，随着电流的上升，饱和电感进入饱和状态，此时饱和电感Lr-sat的电感值为0，故饱和电感Lr-sat的串联也不会影响到功率变换器的占空比等性能，因此，本方案通过串联饱和电感实现了降低辅助开关器件的开通损耗和反向恢复损耗的目的，有效提高了软功率开关变换器的开关频率，并且能够更好的满足大功率及超精密定位场合下的使用需求。
优选的，所述主电路包括主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4，且所述主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4构成全桥电路，所述辅助开关器件Sr2的正极端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S3构成的半桥中点处，所述辅助开关器件Sr2的负极与所述辅助开关器件Sr1的负极连接，所述辅助开关器件Sr1的正极连接在所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S2和所述主开关器件S4构成的半桥中点处。
这样，当主电路为全桥电路时，只需要一条辅助开关支路，辅助开关支路由辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1、饱和电感Lr-sat和谐振电感L依次串联连接所构成，并将串联连接的两端分别连接在两个半桥电路的中点处，通过控制辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1的开关时间，从而使得主开关器件实现软开关。
优选的，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1和主开关器件S2，所述主开关器件S1和主开关器件S2构成半桥电路，所述辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr2的负极端与所述辅助开关器件Sr1的负极端连接，所述辅助开关器件Sr1的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成的半桥中点处。
这样，当主电路为半桥电路时，辅助开关支路由辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1、饱和电感Lr-sat和谐振电感L依次串联连接所构成，并将串联连接的两端分别连接在两个半桥电路的中点处，通过控制辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1的开关时间，从而使得主开关器件实现软开关。
优选的，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6，所述主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6构成三相半桥电路，且所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成第一半桥电路，所述主开关器件S3和所述主开关器件S4构成与所述第一半桥电路并联连接的第二半桥电路，所述主开关器件S5和所述主开关器件S6构成与所述第二半桥电路并联连接的第三半桥电路；
所述辅助开关支路包括第一辅助开关支路、第二辅助开关支路和第三辅助开关支路，所述第一辅助开关支路包括辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2、谐振电感L1和电感Lr-sat1，所述辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr2的负极端与所述辅助开关器件Sr1的负极端连接，所述辅助开关器件Sr1的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat1和所述谐振电感L1串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat1和所述谐振电感L1串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成的半桥中点处；
所述第二辅助开关支路包括辅助开关器件Sr3、辅助开关器件Sr4、谐振电感L2和电感Lr-sat2，所述辅助开关器件Sr4的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr4的负极端与所述辅助开关器件Sr3的负极端连接，所述辅助开关器件Sr3的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat2和所述谐振电感L2串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat2和所述谐振电感L2串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S3和所述主开关器件S4构成的半桥中点处；
所述第三辅助开关支路包括辅助开关器件Sr5、辅助开关器件Sr6、谐振电感L3和电感Lr-sat3，所述辅助开关器件Sr6的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr6的负极端与所述辅助开关器件Sr5的负极端连接，所述辅助开关器件Sr5的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat3和所述谐振电感L3串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat3和所述谐振电感L3串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S5和所述主开关器件S6构成的半桥中点处。
这样，当主电路为三相半桥电路时，需要在每个半桥电路处设置一条辅助开关支路，通过控制对应半桥电路的辅助开关支路的辅助开关器件导通时间，从而使得各个半桥电路的主开关器件实现软开关。
优选的，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、以及n个并联连接的半桥电路，n个并联连接的半桥电路构成n相半桥电路，且各半桥电路包括串联连接的主开关器件Si1和主开关器件Si 2，所述辅助开关电路包括与半桥电路数量相同的n个辅助开关支路，且所述辅助开关支路与所述半桥电路一一对应；
所述辅助开关支路包括辅助开关器件Sri1、辅助开关器件Sri2、谐振电感Li1和电感Lr-satil，所述辅助开关器件Sri2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sri2的负极端与所述辅助开关器件Sri1的负极端连接，所述辅助开关器件Sri1的正极端连接在所述饱和电感Lr-satil和所述谐振电感Lil串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sati1和所述谐振电感Li1串联形成的支路的另一端连接在对应半桥电路的所述主开关器件Si1和所述主开关器件Si2构成的半桥中点处。
这样，当主电路为n相半桥电路时，需要在每个半桥电路处设置一条辅助开关支路，通过控制对应半桥电路的辅助开关支路上的辅助开关器件导通时间，从而使得各个半桥电路的主开关器件实现软开关。
优选的，辅助开关支路上电流在过零点处的斜率的计算公式为：
Lr＝Lr-sat+L
式中：
为辅助开关支路上电流在过零点处的斜率；
Vs为辅助开关支路上的电压；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Lr-sat为饱和电感值；
L为谐振电感值。
优选的，辅助开关支路上的开关器件的反向恢复峰值电流的计算公式为：
式中：
Irm为反向恢复峰值电流；
Vs为辅助开关支路上的电压；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Qm为正向导通过程在漂移区积累的自由载流子电荷量；
Cd为辅助开关支路上的辅助开关器件总的结电容。
优选的，辅助开关支路上的开关器件的反向恢复损耗的计算公式为：
式中：
Ploss_rec为反向恢复损耗；
Irm为反向恢复峰值电流；
Lr为辅助开关支路上总的电感值。
附图说明
图1为现有技术中典型的软开关功率变换器的拓扑图；
图2为采用辅助开关支路上的辅助开关器件的电压电流波形图；
图3为辅助开关支路上的辅助开关器件上的反向导通峰值电流和辅助开关支路上总的电感值之间的关系曲线图；
图4为辅助开关支路上的辅助开关器件上的反向恢复损耗和辅助开关支路上总的电感值之间的关系曲线图；
图5为将本发明基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法应用在全桥电路的软开关功率变换器时的拓扑图；
图6为将本发明基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法应用在半桥电路的软开关功率变换器时的拓扑图；
图7为将本发明基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法应用在三相半桥电路的软开关功率变换器时的拓扑图；
图8为将本发明基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法应用在n相半桥电路的软开关功率变换器时的拓扑图；
图9为在正向导通峰值电流Im＝8.9A时串入饱和电感前后反向恢复情况的对比图；
图10为在正向导通峰值电流Im＝12.2A时串入饱和电感前后反向恢复情况的对比图；
图11为串入饱和电感前后正向导通峰值电流Im与反向恢复峰值电流Irm的关系图；
图12为串入饱和电感前后正向导通峰值电流Im及反向恢复损耗Ploss_rec间的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，软开关功率变换器包括主电路和辅助开关支路，辅助开关支路包括串联连接的辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2和谐振电感L，在辅助开关支路上还串联有饱和电感Lr-sat，通过在辅助开关支路上串联饱和电感Lr-sat来降低辅助开关支路上电流在过零点处的斜率，以此来达到降低辅助开关支路上的开关器件的反向恢复峰值电流和反向恢复损耗的目的。
本发明的工作原理是：本发明通过在辅助开关支路上串联饱和电感，使得在辅助开关器件Sr1和辅助开关器件Sr2开通时，由于串联了饱和电感Lr-sat，使得整个辅助开关支路上的电感值增加，从而降低了辅助开关器件Sr1和Sr2开通时的电流的上升率，以此来达到降低辅助开关器件Sr1和Sr2开通损耗的目的；同时，在辅助开关器件Sr1和Sr2关断时，由于串联了饱和电感Lr-sat，也会使得关断时电流的上升率降低，进而达到减小关断时辅助开关器件Sr1和Sr2体二极管的反向恢复损耗和反向恢复电流的效果。
同时，由于饱和电感Lr-sat的特性：饱和电感在电流较小时有明确的初始电感量，这个电感是一个非线性特性非常显著的电感，随着电流的增加，电感量减少，一直到0，即进入饱和状态，这样就会使得饱和电感只作用在电流过零点附近，随着电流的上升，饱和电感进入饱和状态，此时饱和电感Lr-sat的电感值为0，故饱和电感Lr-sat的串联也不会影响到功率变换器的占空比等性能，因此，本方案通过串联饱和电感实现了降低辅助开关器件的开通损耗和反向恢复损耗的目的，有效提高了软功率开关变换器的开关频率，并且能够更好的满足大功率及超精密定位场合下的使用需求。
在本实施例中，辅助开关支路上电流在过零点处的斜率的计算公式为：
Lr＝Lr-sat+L
式中：
为辅助开关支路上电流在过零点处的斜率；
Vs为辅助开关支路上的电压；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Lr-sat为饱和电感值；
L为谐振电感值。
具体如附图所示，图1为辅助开关支路上辅助开关器件Sr1、Sr2的电压电流波形，其中Vs为电压，i为电流，电压和电流的交叠决定了开通损耗大小，而电流过零点附近的变化率则决定了其交叠的程度。综上可以看出，本方案通过加入饱和电感，使得整个辅助开关支路上的电感值增加，从而达到降低电流过零点处斜率的目的，而当电流过零点处的斜率越小时，电流和电压的交叠程度也越小，则辅助开关器件的开通损耗也越小。
在本实施例中，辅助开关支路上的开关器件的反向恢复峰值电流的计算公式为：
式中：
Irm为反向恢复峰值电流；
Vs为辅助开关支路上的电压；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Qm为正向导通过程在漂移区积累的自由载流子电荷量；
Cd为辅助开关支路上辅助开关器件总的结电容。
如附图3所示为正向导通峰值电流一定时，反向导通峰值电流和辅助开关支路上总的电感值之间的关系曲线图，根据该曲线图可以看出，反向导通峰值电流和辅助开关支路上总的电感值之间是呈现反比的关系，故本方案通过加入饱和电感，使得整个辅助开关支路上的电感值增加，以此来达到降低反向峰值电流的目的。
在本实施例中，辅助开关支路上的开关器件的反向恢复损耗的计算公式为：
式中：
Ploss_rec为反向恢复损耗；
Irm为反向恢复峰值电流；
Lr为辅助开关支路上总的电感值。
如附图4所示为正向导通峰值电流一定时，反向恢复损耗和辅助开关支路上总的电感值之间的关系曲线图，根据该曲线图可以看出，反向恢复损耗和辅助开关支路上总的电感值之间是呈现反比的关系，故本方案通过加入饱和电感，使得整个辅助开关支路上的电感值增加，以此来达到降低反向恢复损耗的目的。
综上，本方案通过采用在辅助开关支路中串入饱和电感的方法，饱和电感的串入，减小了辅助开关支路电流过零点附近的电流下降率，辅助开关支路的电流下降率的减小使得辅助开关器件的开通损耗、反向恢复峰值电流和反向恢复损耗都得到了减小，同时由于饱和电感只作用在电流过零点附近，因此串入饱和电感对于软开关功率变换器占空比的影响不大。
下面，以具体实施方法来对本方案降低软开关功率变换器损耗的方法应用在不同的主电路上的连接方式进行详细的说明：
实施例一：
如附图5所示，在本实施例中，主电路包括主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4，且主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4构成全桥电路，辅助开关器件Sr2的正极端连接在主开关器件S1和主开关器件S3构成的半桥中点处，辅助开关器件Sr2的负极与辅助开关器件Sr1的负极连接，辅助开关器件Sr1的正极连接在饱和电感Lr-sat和谐振电感L串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sat和谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在主开关器件S2和主开关器件S4构成的半桥中点处。
这样，当主电路为全桥电路时，只需要一条辅助开关支路，辅助开关支路由辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1、饱和电感Lr-sat和谐振电感L依次串联连接所构成，并将串联连接的两端分别连接在两个半桥电路的中点处，通过控制辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2的导通时间，从而使得主开关器件实现软开关。
实施例二：
如附图6所示，在本实施例中，主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1和主开关器件S2，主开关器件S1和主开关器件S2构成半桥电路，辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在直流电源Vs1的负极端和直流电源Vs2的正极端，辅助开关器件Sr2的负极端与辅助开关器件Sr1的负极端连接，辅助开关器件Sr1的正极端连接在饱和电感Lr-sat和谐振电感L串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sat和谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在主开关器件S1和主开关器件S2构成的半桥中点处。
这样，当主电路为半桥电路时，辅助开关支路由辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1、饱和电感Lr-sat和谐振电感L依次串联连接所构成，并将串联连接的两端分别连接在两个半桥电路的中点处，通过控制辅助开关器件Sr2、辅助开关器件Sr1的导通时间，从而使得主开关器件实现软开关。
实施例三：
如附图7所示，在本实施例中，主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6，主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6构成三相半桥电路，且主开关器件S1和主开关器件S2构成第一半桥电路，主开关器件S3和主开关器件S4构成与第一半桥电路并联连接的第二半桥电路，主开关器件S5和主开关器件S6构成与第二半桥电路并联连接的第三半桥电路；
辅助开关支路包括第一辅助开关支路、第二辅助开关支路和第三辅助开关支路，第一辅助开关支路包括辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2、谐振电感L1和电感Lr-sat1，辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在直流电源Vs1的负极端和直流电源Vs2的正极端，辅助开关器件Sr2的负极端与辅助开关器件Sr1的负极端连接，辅助开关器件Sr1的正极端连接在饱和电感Lr-sat1和谐振电感L1串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sat1和谐振电感L1串联形成的支路的另一端连接在主开关器件S1和主开关器件S2构成的半桥中点处；
第二辅助开关支路包括辅助开关器件Sr3、辅助开关器件Sr4、谐振电感L2和电感Lr-sat2，辅助开关器件Sr4的正极端同时连接在直流电源Vs1的负极端和直流电源Vs2的正极端，辅助开关器件Sr4的负极端与辅助开关器件Sr3的负极端连接，辅助开关器件Sr3的正极端连接在饱和电感Lr-sat2和谐振电感L2串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sat2和谐振电感L2串联形成的支路的另一端连接在主开关器件S3和主开关器件S4构成的半桥中点处；
第三辅助开关支路包括辅助开关器件Sr5、辅助开关器件Sr6、谐振电感L3和电感Lr-sat3，辅助开关器件Sr6的正极端同时连接在直流电源Vs1的负极端和直流电源Vs2的正极端，辅助开关器件Sr6的负极端与辅助开关器件Sr5的负极端连接，辅助开关器件Sr5的正极端连接在饱和电感Lr-sat3和谐振电感L3串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sat3和谐振电感L3串联形成的支路的另一端连接在主开关器件S5和主开关器件S6构成的半桥中点处。
这样，当主电路为三相半桥电路时，需要在每个半桥电路处设置一条辅助开关支路，通过控制对应半桥电路的辅助开关支路的辅助开关器件导通时间，从而使得各个半桥电路的主开关器件实现软开关。
实施例四：
如附图8所示，在本实施例中，主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、以及n个并联连接的半桥电路，n个并联连接的半桥电路构成n相半桥电路，且各半桥电路包括串联连接的主开关器件Si1和主开关器件Si2，辅助开关电路包括与半桥电路数量相同的n个辅助开关支路，且辅助开关支路与半桥电路一一对应；其中，i的取值为从1到n。
辅助开关支路包括辅助开关器件Sri1、辅助开关器件Sri2、谐振电感Li1和电感Lr-sati1，辅助开关器件Sri2的正极端同时连接在直流电源Vs1的负极端和直流电源Vs2的正极端，辅助开关器件Sri2的负极端与辅助开关器件Sri1的负极端连接，辅助开关器件Sri1的正极端连接在饱和电感Lr-sati1和谐振电感Li1串联形成的支路的一端，饱和电感Lr-sati1和谐振电感Li1串联形成的支路的另一端连接在对应半桥电路的主开关器件Si1和主开关器件Si2构成的半桥中点处。
这样，当主电路为n相半桥电路时，需要在每个半桥电路处设置一条辅助开关支路，通过控制对应半桥电路的辅助开关支路的辅助开关器件导通时间，从而使得各个半桥电路的主开关器件实现软开关。
下面，以具体数据来说明本方法在降低软开关功率变换器损耗时达到的效果：
如附图9所示为正向导通峰值电流Im＝8.9A情况下，串入饱和电感前后反向恢复情况的对比图。附图9中，主开关器件S1的栅源电压为曲线vgs1，主开关器件S2的栅源电压为曲线vgs2，辅助开关器件Sr1栅源电压为曲线vgs_r1，曲线的尺度均为10V/格。在Im＝8.9A时，图9(a)表明，无饱和电感情况下的反向恢复峰值电流Irm为1.5A，图9(b)表明，串入饱和电感后反向恢复峰值电流Irm由1.5A降至0.5A，反向恢复损耗由5.06W降至2.83W。即串入饱和电感后的反向恢复峰值电流和反向恢复损耗均大大降低。
如附图10所示为正向导通峰值电流为Im＝12.2A情况下，串入饱和电感前后反向恢复情况对比图。附图10中，主开关器件S1的栅源电压为曲线vgs1，主开关器件S2的栅源电压为曲线vgs2，辅助开关器件Sr1栅源电压为曲线vgs_r1，曲线的尺度均为10V/格。在Im＝12.2A时，图10(a)表明，无饱和电感情况下反向恢复峰值电流Irm为1.5A，图10(b)表明，串入饱和电感后反向恢复峰值电流Irm由1.5A降至0.5A；反向恢复损耗由8.3W降至6.72W。即串入饱和电感后的反向恢复峰值电流和反向恢复损耗均降低。
如附图11所示为串入饱和电感前后，正向导通峰值电流Im与反向恢复峰值电流Irm的关系图。图11表明，未串入饱和电感时，Irm随着Im的增大而增大，Irm变化率随着Im的增大而下降，在串入饱和电感后，反向恢复电流Irm大幅度减小；如附图12所示为串入饱和电感前后，正向导通峰值电流Im与反向恢复损耗Ploss_rec的关系图，图12表明，串入饱和电感后，反向恢复损耗Ploss_rec大幅度减小。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，软开关功率变换器包括主电路和辅助开关支路，所述辅助开关支路包括串联连接的辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2和谐振电感L，其特征在于，在所述辅助开关支路上还串联有饱和电感Lr-sat，通过在所述辅助开关支路上串联饱和电感Lr-sat来降低辅助开关支路上电流在过零点处的斜率，以此来达到降低辅助开关支路上的开关器件的开通损耗和反向恢复损耗的目的；
通过采用在辅助开关支路中串入饱和电感的方法，饱和电感的串入，减小了辅助开关支路电流过零点附近的电流下降率，辅助开关支路的电流下降率的减小使得辅助开关器件的开通损耗、反向恢复峰值电流和反向恢复损耗都得到了减小，同时由于饱和电感只作用在电流过零点附近，随着电流的上升，饱和电感进入饱和状态，此时饱和电感Lr-sat的电感值为0，故饱和电感Lr-sat的串联也不会影响到功率变换器的占空比的性能；
辅助开关支路上电流在过零点处的斜率的计算公式为：
Lr＝Lr-sat+L
式中：
为辅助开关支路上电流在过零点处的斜率；
Vs为辅助开关支路上的电压；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Lr-sat为饱和电感值；
L为谐振电感值；
辅助开关支路上的开关器件的反向恢复峰值电流的计算公式为：
式中：
Irm为反向恢复峰值电流；
Vs为辅助开关支路所承受电压的大小；
Lr为辅助开关支路上总的电感值；
Qm为正向导通过程在漂移区积累的自由载流子电荷量；
Cd为辅助开关支路上的辅助开关器件总的结电容；
辅助开关支路上的开关器件的反向恢复损耗的计算公式为：
式中：
Ploss_rec为反向恢复损耗；
Irm为反向恢复峰值电流；
Lr为辅助开关支路上总的电感值。
2.根据权利要求1所述的基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，其特征在于，所述主电路包括主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4，且所述主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3和主开关器件S4构成全桥电路，所述辅助开关器件Sr2的正极端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S3构成的半桥中点处，所述辅助开关器件Sr2的负极与所述辅助开关器件Sr1的负极连接，所述辅助开关器件Sr1的正极连接在所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S2和所述主开关器件S4构成的半桥中点处。
3.根据权利要求1所述的基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，其特征在于，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1和主开关器件S2，所述主开关器件S1和主开关器件S2构成半桥电路，所述辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr2的负极端与所述辅助开关器件Sr1的负极端连接，所述辅助开关器件Sr1的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat和所述谐振电感L串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成的半桥中点处。
4.根据权利要求1所述的基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，其特征在于，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6，所述主开关器件S1、主开关器件S2、主开关器件S3、主开关器件S4、主开关器件S5和主开关器件S6构成三相半桥电路，且所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成第一半桥电路，所述主开关器件S3和所述主开关器件S4构成与所述第一半桥电路并联连接的第二半桥电路，所述主开关器件S5和所述主开关器件S6构成与所述第二半桥电路并联连接的第三半桥电路；
所述辅助开关支路包括第一辅助开关支路、第二辅助开关支路和第三辅助开关支路，所述第一辅助开关支路包括辅助开关器件Sr1、辅助开关器件Sr2、谐振电感L1和电感Lr-sat1，所述辅助开关器件Sr2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr2的负极端与所述辅助开关器件Sr1的负极端连接，所述辅助开关器件Sr1的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat1和所述谐振电感L1串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat1和所述谐振电感L1串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S1和所述主开关器件S2构成的半桥中点处；
所述第二辅助开关支路包括辅助开关器件Sr3、辅助开关器件Sr4、谐振电感L2和电感Lr-sat2，所述辅助开关器件Sr4的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr4的负极端与所述辅助开关器件Sr3的负极端连接，所述辅助开关器件Sr3的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat2和所述谐振电感L2串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat2和所述谐振电感L2串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S3和所述主开关器件S4构成的半桥中点处；
所述第三辅助开关支路包括辅助开关器件Sr5、辅助开关器件Sr6、谐振电感L3和电感Lr-sat3，所述辅助开关器件Sr6的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sr6的负极端与所述辅助开关器件Sr5的负极端连接，所述辅助开关器件Sr5的正极端连接在所述饱和电感Lr-sat3和所述谐振电感L3串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sat3和所述谐振电感L3串联形成的支路的另一端连接在所述主开关器件S5和所述主开关器件S6构成的半桥中点处。
5.根据权利要求1所述的基于饱和电感降低软开关功率变换器损耗的方法，其特征在于，所述主电路包括直流电源Vs1、直流电源Vs2、以及n个并联连接的半桥电路，n个并联连接的半桥电路构成n相半桥电路，且各半桥电路包括串联连接的主开关器件Si1和主开关器件Si2，所述辅助开关支路包括与半桥电路数量相同的n个辅助开关支路，且所述辅助开关支路与所述半桥电路一一对应；
所述辅助开关支路包括辅助开关器件Sri1、辅助开关器件Sri2、谐振电感Li和电感Lr-sati，所述辅助开关器件Sri2的正极端同时连接在所述直流电源Vs1的负极端和所述直流电源Vs2的正极端，所述辅助开关器件Sri2的负极端与所述辅助开关器件Sri1的负极端连接，所述辅助开关器件Sri1的正极端连接在所述饱和电感Lr-sati1和所述谐振电感Li1串联形成的支路的一端，所述饱和电感Lr-sati1和所述谐振电感Li1串联形成的支路的另一端连接在对应半桥电路的所述主开关器件Si1和所述主开关器件Si2构成的半桥中点处。
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