3.2 逆变驱动电路
压电变压器的自身谐振频率较高,与之匹配的逆变驱动电路中的功率开关工作于谐振频率附近。为了有效减小开关损耗,逆变驱动电路中的功率开关应该工作在软开关状态。
逆变驱动电路通常包含开关网络和压电变压器输入匹配网络。它的作用是把直流能量转换为驱动压电变压器工作的交流能量,开关的输入信号通常为一个方波信号,经过逆变驱动电路输出电压通常为一个正弦波或准正弦波信号。对于普通DC-DC应用领域,逆变驱动电路的设计重点是最大限度地降低压电变换器的增益对输入电压和负载变化的敏感程度,通常是考虑尽可能缩小变换器的操作频率带宽来达到该目的。而对于汽车安全气囊点火系统的高压变换电路,功率开关通常就是由电子安全系统中三个冗余开关中的动态开关构成的,工作过程中开关上的电压最大值为系统直流电源的数倍,功率开关承受的电压应力较高,而压电变压器的自身谐振频率也比较高,所以为了有效减小开关损耗,逆变驱动电路中的功率开关必须工作在软开关状态。此外,逆变驱动电路应能实现灵活调节网络输出准正弦电压的幅值,以此调节压电变压器的输出功率,满足对系统设计降额级别的要求。
逆变驱动电路设计的详细内容将在后续章节中介绍。为了深入研究逆变驱动电路软开关条件的实现问题,这里先对软开关技术做一简述。
软开关是相对于硬开关提出来的,一般的理解是:硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程。工作于硬开关状态下的功率变换电路,由于功率开关管并不是理想开关,开和关不能瞬时完成,需要一定时间。在这段时间里,开关管两端电压或通过电流减小的同时,其上通过的电流或两端的电压又开始上升,形成电压和电流波形的交叠,从而产生了开关损耗。如图3.2所示,显然,随着开关频率的提高,开关损耗将成正比线性上升。
图3.2 开关管开关时的电压电流波形
此外,开关管工作在硬开关时还会产生高的d i/d t和d u/d t,从而产生大的电磁干扰。电路中寄生参数的影响以及寄生参数之间的振荡,使开关管在硬开关状态下的开关环境进一步恶化。若不改善开关管的开关条件,其开关轨迹很可能会超出安全工作区,影响开关的可靠运行,如图3.3所示。
减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关,因此软开关技术应运而生。软开关通常是指零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)和零电流开关(Zero Current Switching,ZCS)或近似零电压与零电流开关。软开关过程是通过电感L和电容C的谐振,使开关器件中电流(或两端电压)按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时,使器件关断,当电压下降到零时,使器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程,将使器件的开关损耗理论上为零。图3.4给出了开关管工作在软开关条件下的开关轨迹,从图中可以看出,此时开关管的工作条件很好,不会超出安全工作区。
图3.3 开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹
图3.4 开关管工作在软开关条件下的开关轨迹
在直流-直流脉宽调制变换器设计中较早提出的软开关变换器是准谐振变换器(Quasi-Resonant Converter,QRC),因电路工作在谐振的时间只占一个开关周期中的一部分,故称为准谐振。准谐振变换器通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变化,从而创造出零电流或零电压开关条件,极大地减小了变换器的开关损耗和开关噪声。由于准谐振变换器不能使电路中的有源开关和二极管同时具有软开关条件,因此之后又提出了多谐振变换器(Multi-Resonant Converter,MRC)。在多谐振变换器中,由于电路中的谐振拓扑和参数不止一个,故称为多谐振。在准谐振变换器和多谐振变换器中,输出电压的调节是通过调节开关频率实现的,当负载和输入电压在大范围内变化时,开关频率也需要大范围的变化,这使得滤波器的设计变得很困难。为此,又提出了零电压开关脉宽调制变换器和零电流开关脉宽调制变换器。这种类型的变换器将准谐振变换器与常规的脉宽调制变换器相结合,通过附加的辅助有源开关阻断谐振过程,使电路在一周期内,一部分时间按零电压开关或零电流开关准谐振方式运行,另一部分时间按脉宽调制方式运行,既具有软开关的特点,又具有脉宽调制恒频占空比调节的特点。在零电压开关脉宽调制变换器和零电流开关脉宽调制变换器中,谐振电感串联在主功率回路中,因此电路中总是存在着很大的环流能量,这不可避免地增加了电路的导通损耗;另外,电感储能输入电压和输出负载有很大关系,这使得电路的软开关条件极大地依赖输入电源和输出负载的变化。为了解决这些问题,零电压转换脉宽调制变换电路和零电流转换脉宽调制变换电路被提出。在这种类型的电路中,辅助谐振电路与主功率开关管并联,电路中环流能量被自动地保持在较小的数值,且软开关条件与输入电压和输出负载的变换无关。上述各种软开关变换技术在实际的直流-直流变换器的设计上正在获得越来越广泛的应用。
在直流-交流逆变器研究方面,自Divan博士提出了谐振直流环节逆变器后,软开关逆变电路的研究成为电力电子学领域中的热点研究方向之一。由于谐振软开关逆变电路与常规硬开关逆变电路相比具有明显的优点,因此,从20世纪80年代末以来,在每一年的IEEE-IAS年会、PESC年会、IPEC等会议上都有大量的关于这个领域研究的论文发表。但在实际应用中,软开关逆变器目前还远未达到成熟的程度,还有许多问题需要作进一步的研究。例如,如何通过比较简单的拓扑结构实现逆变器的软开关,同时并不增加开关器件的电压或电流应力;什么样的控制方式更适合于软开关逆变器;怎样设计高频谐振电感更合理、更有效,如何减少谐振电路中元器件的数量并简化谐振变换器的结构。