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CN111490698A - 一种相位关联zvt磁化电流最小化的辅助谐振换流极逆变器 - Google Patents

一种相位关联zvt磁化电流最小化的辅助谐振换流极逆变器 Download PDF

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CN111490698A
CN111490698A CN202010301494.2A CN202010301494A CN111490698A CN 111490698 A CN111490698 A CN 111490698A CN 202010301494 A CN202010301494 A CN 202010301494A CN 111490698 A CN111490698 A CN 111490698A
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Abstract

本发明公开了一种相位关联ZVT磁化电流最小化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。改进的时序调制有效减少了磁化电流的续流损耗和辅助开关的关断损耗。利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关管的零电压开通的优点，减少了主开关的开关损耗，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，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ZVT磁化电流最小化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ZVT磁化电流最小化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ZVT磁化电流最小化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ZVT磁化电流最小化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)和第一分压电容(Cd2)谐振电感(Lr)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)超前桥臂(AC-Lag)滞后桥臂(AC-Lead)激磁电感(Lm)，所述第一主开关管(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)和第一分压电容(Cd2)的中点相连；谐振电感(Lr)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、辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端相连于P点；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)的正极相连；辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的异名端和第二换流二极管(Dc2)的负极相连；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。
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、Sa2、Sa4处于导通状态，S1、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP1,导通Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000021
Sa3导通后延迟DP2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000022
关断Sa2，Sa3延迟DP3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-GDA0002559321530000023
Sa1，Sa4导通后延迟DP4,关断S2；
Figure RE-GDA0002559321530000024
S2关断后延迟DP5,导通S1；
Figure RE-GDA0002559321530000025
S1导通后延迟DP6,关断Sa1；
Figure RE-GDA0002559321530000026
Sa1关断后延迟DP7,导通Sa2；
Figure RE-GDA0002559321530000027
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP8，导通S2；
Figure RE-GDA0002559321530000028
当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、Sa2、Sa4处于导通状态，S2、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN1,导通Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000031
Sa3导通后延迟DN2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000032
关断Sa2，Sa3延迟DN3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-GDA0002559321530000033
Sa1，Sa4导通后延迟DN4,关断S1；
Figure RE-GDA0002559321530000034
S1关断后延迟DN5,导通S2；
Figure RE-GDA0002559321530000035
S2导通后延迟DN6,关断Sa1；
Figure RE-GDA0002559321530000036
Sa1关断后延迟DN7,导通Sa2；
Figure RE-GDA0002559321530000037
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN8，导通S1；
Figure RE-GDA0002559321530000038
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为Sa3最短ZVS开通时间；T5D为 S1(S2)最短ZVS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；V′AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure RE-GDA0002559321530000041
为保证完成Sa1-Sa4，完成ZVS换流的最小电流；
Figure RE-GDA0002559321530000042
为换流电感开始充电时的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-GDA0002559321530000043
为激磁电流由
Figure RE-GDA0002559321530000044
复位后的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-GDA0002559321530000045
Figure RE-GDA0002559321530000046
Figure RE-GDA0002559321530000047
Figure RE-GDA0002559321530000048
Figure RE-GDA0002559321530000049
Figure RE-GDA00025593215300000410
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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-GDA00025593215300000411
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4，本模式的等效电路图如图6所示，激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300000412
对Ca4充电Ca3放电，R 点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000051
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000052
Figure RE-GDA0002559321530000053
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000054
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000055
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000056
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000057
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP1为：
Figure RE-GDA0002559321530000058
t2时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000059
增至
Figure RE-GDA00025593215300000510
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300000511
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP2为：
Figure RE-GDA00025593215300000512
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q 点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图7所示；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图8所示；换流电感电流
Figure RE-GDA00025593215300000513
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300000514
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00025593215300000515
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000061
Figure RE-GDA0002559321530000062
Figure RE-GDA0002559321530000063
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000064
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000065
由得，第一步结束后：
Figure RE-GDA0002559321530000066
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000067
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000068
Figure RE-GDA0002559321530000069
Figure RE-GDA00025593215300000610
其中：
Figure RE-GDA00025593215300000611
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300000612
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX，激磁电流为
Figure RE-GDA00025593215300000613
Da1，Da4自然导通；Sa1， Sa4达到ZVS换流条件，图9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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000071
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000072
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DP3为：；
Figure RE-GDA0002559321530000073
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000074
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-GDA0002559321530000075
和得：
Figure RE-GDA0002559321530000076
t4时刻，换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000077
的值增至最大值：
iLr(t4)＝Ir+iLoad \*公式(48)
其中：Ir为换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000078
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000079
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DP4为：
Figure RE-GDA00025593215300000710
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S2关断，图10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 RE-GDA00025593215300000711
Figure RE-GDA0002559321530000081
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000082
t5时刻，O点电位上升至VDC；本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000083
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000084
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位升至VDC,D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降， tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000085
S2关断到S1导通时间间隔DP5为：
Figure RE-GDA0002559321530000086
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000087
S1导通到Sa1关断时间间隔DP6为：
Figure RE-GDA0002559321530000088
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA0002559321530000089
激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300000810
对 Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300000811
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP7为：
DP7＝T6-7 \*公式(61)
模式9(t8-t9):t8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；t9时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S2；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300000812
S1关断到S2导通时间间隔DP8为：
DP8＝T8-9 \*公式(63)
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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-GDA0002559321530000091
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图6所示，激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000092
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000093
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000094
Figure RE-GDA0002559321530000095
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000096
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000097
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000098
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000099
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN1为：
Figure RE-GDA00025593215300000910
t2时刻,励磁电流
Figure RE-GDA00025593215300000911
增至
Figure RE-GDA00025593215300000912
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300000913
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN2为：
Figure RE-GDA00025593215300000914
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q 点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图7所示；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图8所示；换流电感电流
Figure RE-GDA0002559321530000101
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000102
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000103
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000104
Figure RE-GDA0002559321530000105
Figure RE-GDA0002559321530000106
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000107
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000108
由得，第一步结束后：
Figure RE-GDA0002559321530000109
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00025593215300001010
表达式为：
Figure RE-GDA00025593215300001011
Figure RE-GDA00025593215300001012
Figure RE-GDA00025593215300001013
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000111
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000112
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX,激磁电流为ILm_1，Da1，Da4自然导通；Sa1， Sa4达到ZVS换流条件，图9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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000113
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000114
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DN3为：
Figure RE-GDA0002559321530000115
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000116
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-GDA0002559321530000117
和得：
Figure RE-GDA0002559321530000118
t4时刻，换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000119
的值增至最大值：
Figure RE-GDA00025593215300001110
其中：Ir为换流电流
Figure RE-GDA00025593215300001111
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000121
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DN4为：
Figure RE-GDA0002559321530000122
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S1关断，图10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充电C2放电，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 RE-GDA0002559321530000123
Figure RE-GDA0002559321530000124
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000125
t5时刻，O点电位下降至0；本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000126
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000127
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位降至0，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降， tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000128
S1关断到S2导通时间间隔DN5为：
Figure RE-GDA0002559321530000129
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300001210
S2导通到Sa1关断时间间隔DN6为：
Figure RE-GDA00025593215300001211
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA0002559321530000131
激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000132
对 Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000133
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN7为：
DN7＝T6-7 \*公式(101)
模式9(t8-t9):t8时刻，关断S2，负载电流iLoad对C1放电，C2充电，O点电位线性上升；t9时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S1；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000134
S2关断到S1导通时间间隔DN8为：
DN8＝T8-9 \*公式(103)
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 RE-GDA0002559321530000135
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T4-5和ZVS开通时间T5D，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 RE-GDA0002559321530000136
联立,,：
Figure RE-GDA0002559321530000137
由，得：
Figure RE-GDA0002559321530000138
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure RE-GDA0002559321530000139
为保证滞后臂能可靠换流且Sa3有足够得ZVS开通时间，联立,,得：
Figure RE-GDA00025593215300001310
当负载电流为0时，为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t6)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t3)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 RE-GDA0002559321530000141
联立,：
Figure RE-GDA0002559321530000142
其中T36_min为将iLoad＝0代入，，之和所得的t3-t6的时间间隔；
Figure RE-GDA0002559321530000143
其中T36为负载不同时式，，之和所得的t3-t6的时间间隔，因此
Figure RE-GDA0002559321530000144
与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000145
在T23经过两步谐振变为
Figure RE-GDA0002559321530000146
联立，-且
Figure RE-GDA0002559321530000147
Figure RE-GDA0002559321530000148
其中
Figure RE-GDA0002559321530000149
与每个开关周期中的负载电流值成正相关，因此由可得
Figure RE-GDA00025593215300001410
也与每个开关周期中的负载电流值成正相关。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明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。改进的时序调制有效减少了磁化电流的续流损耗和辅助开关的关断损耗。本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关管的零电压开通的优点，减少了主开关的开关损耗，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磁化电流双向复位的辅助谐振换流极逆变器电路；
图4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5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6是本发明中，一个PWM开关周期内模式1等效电路图；
图7是本发明中，一个PWM开关周期内模式4第一步等效电路图；
图8是本发明中，一个PWM开关周期内模式4第二步等效电路图；
图9是本发明中，一个PWM开关周期内模式5等效电路图；
图10是本发明中，一个PWM开关周期内模式6等效电路图；
图11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12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12所示，本发明提供的一种相位关联ZVT磁化电流最小化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Lr、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、超前桥臂AC-Lag、滞后桥臂AC-Lead、激磁电感Lm，所述第一主开关管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Lr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、辅助换流变压器副边第二绕组T3的同名端相连于P点；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的正极相连；辅助换流变压器副边第二绕组T3的异名端和第二换流二极管Dc2的负极相连；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。
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、Sa2、Sa4处于导通状态，S1、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP1,导通Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000151
Sa3导通后延迟DP2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000152
关断Sa2，Sa3延迟DP3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-GDA0002559321530000153
Sa1，Sa4导通后延迟DP4,关断S2；
Figure RE-GDA0002559321530000161
S2关断后延迟DP5,导通S1；
Figure RE-GDA0002559321530000162
S1导通后延迟DP6,关断Sa1；
Figure RE-GDA0002559321530000163
Sa1关断后延迟DP7,导通Sa2；
Figure RE-GDA0002559321530000164
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP8，导通S2；
Figure RE-GDA0002559321530000165
当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、Sa2、Sa4处于导通状态，S2、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN1,导通Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000166
Sa3导通后延迟DN2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-GDA0002559321530000167
关断Sa2，Sa3延迟DN3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-GDA0002559321530000168
Sa1，Sa4导通后延迟DN4,关断S1；
Figure RE-GDA0002559321530000169
S1关断后延迟DN5,导通S2；
Figure RE-GDA0002559321530000171
S2导通后延迟DN6,关断Sa1；
Figure RE-GDA0002559321530000172
Sa1关断后延迟DN7,导通Sa2；
Figure RE-GDA0002559321530000173
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN8，导通S1；
Figure RE-GDA0002559321530000174
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为Sa3最短ZVS开通时间；T5D为 S1(S2)最短ZVS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；V′AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure RE-GDA0002559321530000175
为保证完成Sa1-Sa4，完成ZVS换流的最小电流；
Figure RE-GDA0002559321530000176
为换流电感开始充电时的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-GDA0002559321530000177
为激磁电流由
Figure RE-GDA0002559321530000178
复位后的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-GDA0002559321530000179
Figure RE-GDA00025593215300001710
Figure RE-GDA00025593215300001711
Figure RE-GDA00025593215300001712
Figure RE-GDA0002559321530000181
Figure RE-GDA0002559321530000182
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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-GDA0002559321530000183
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4，本模式的等效电路图如图6所示，激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000184
对Ca4充电Ca3放电，R 点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000185
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000186
Figure RE-GDA0002559321530000187
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000188
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000189
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-GDA00025593215300001810
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000191
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP1为：
Figure RE-GDA0002559321530000192
t2时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000193
增至
Figure RE-GDA0002559321530000194
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000195
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP2为：
Figure RE-GDA0002559321530000196
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q 点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图7所示；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图8所示；换流电感电流
Figure RE-GDA0002559321530000197
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000198
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000199
表达式为：
Figure RE-GDA00025593215300001910
Figure RE-GDA00025593215300001911
Figure RE-GDA00025593215300001912
其中：
Figure RE-GDA00025593215300001913
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300001914
由得，第一步结束后：
Figure RE-GDA0002559321530000201
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000202
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000203
Figure RE-GDA0002559321530000204
Figure RE-GDA0002559321530000205
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000206
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000207
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX，激磁电流为
Figure RE-GDA0002559321530000208
Da1，Da4自然导通；Sa1， Sa4达到ZVS换流条件，图9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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000209
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-GDA00025593215300002010
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DP3为：；
Figure RE-GDA00025593215300002011
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-GDA00025593215300002012
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-GDA00025593215300002013
和得：
Figure RE-GDA0002559321530000211
t4时刻，换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000212
的值增至最大值：
iLr(t4)＝Ir+iLoad \*公式(48)
其中：Ir为换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000213
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000214
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DP4为：
Figure RE-GDA0002559321530000215
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S2关断，图10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 RE-GDA0002559321530000216
Figure RE-GDA0002559321530000217
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000218
t5时刻，O点电位上升至VDC；本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000219
其中：
Figure RE-GDA00025593215300002110
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位升至VDC,D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降， tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000221
S2关断到S1导通时间间隔DP5为：
Figure RE-GDA0002559321530000222
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000223
S1导通到Sa1关断时间间隔DP6为：
Figure RE-GDA0002559321530000224
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA0002559321530000225
激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000226
对 Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000227
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP7为：
DP7＝T6-7 \*公式(61)
模式9(t8-t9):t8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；t9时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S2；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000228
S1关断到S2导通时间间隔DP8为：
DP8＝T8-9 \*公式(63)
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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-GDA0002559321530000229
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4,本模式的等效电路图如图6所示，激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300002210
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00025593215300002211
表达式为：
Figure RE-GDA00025593215300002212
Figure RE-GDA00025593215300002213
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000231
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000232
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000233
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000234
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN1为：
Figure RE-GDA0002559321530000235
t2时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000236
增至
Figure RE-GDA0002559321530000237
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000238
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN2为：
Figure RE-GDA0002559321530000239
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q 点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图7所示；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振，等效电路图如图8所示；换流电感电流
Figure RE-GDA00025593215300002310
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300002311
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00025593215300002312
表达式为：
Figure RE-GDA00025593215300002313
Figure RE-GDA00025593215300002314
Figure RE-GDA00025593215300002315
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000241
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000242
由得，第一步结束后：
Figure RE-GDA0002559321530000243
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-GDA0002559321530000244
表达式为：
Figure RE-GDA0002559321530000245
Figure RE-GDA0002559321530000246
Figure RE-GDA0002559321530000247
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000248
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000249
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX,激磁电流为
Figure RE-GDA00025593215300002410
Da1，Da4自然导通；Sa1， Sa4达到ZVS换流条件，图9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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-GDA00025593215300002411
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000251
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DN3为：
Figure RE-GDA0002559321530000252
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-GDA0002559321530000253
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-GDA0002559321530000254
和得：
Figure RE-GDA0002559321530000255
t4时刻，换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000256
的值增至最大值：
iLr(t4)＝Ir+iLoad \*公式(88)
其中：Ir为换流电流
Figure RE-GDA0002559321530000257
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000258
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DN4为：
Figure RE-GDA0002559321530000259
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S1关断，图10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充电C2放电，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 RE-GDA00025593215300002510
Figure RE-GDA00025593215300002511
其中：
Figure RE-GDA00025593215300002512
t5时刻，O点电位下降至0；本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000261
其中：
Figure RE-GDA0002559321530000262
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位降至0，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降， tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000263
S1关断到S2导通时间间隔DN5为：
Figure RE-GDA0002559321530000264
本模式持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000265
S2导通到Sa1关断时间间隔DN6为：
Figure RE-GDA0002559321530000266
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA0002559321530000267
激磁电流
Figure RE-GDA0002559321530000268
对 Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-GDA0002559321530000269
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN7为：
DN7＝T6-7 \*公式(101)
模式9(t8-t9):t8时刻，关断S2，负载电流iLoad对C1放电，C2充电，O点电位线性上升；t9时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S1；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-GDA00025593215300002610
S2关断到S1导通时间间隔DN8为：
DN8＝T8-9 \*公式(103)
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 RE-GDA0002559321530000271
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T4-5和ZVS开通时间T5D，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 RE-GDA0002559321530000272
联立,,：
Figure RE-GDA0002559321530000273
由，得：
Figure RE-GDA0002559321530000274
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure RE-GDA0002559321530000275
为保证滞后臂能可靠换流且Sa3有足够得ZVS开通时间，联立,,得：
Figure RE-GDA0002559321530000276
当负载电流为0时，为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t6)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t3)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 RE-GDA0002559321530000277
联立,：
Figure RE-GDA0002559321530000278
其中T36_min为将iLoad＝0代入，，之和所得的t3-t6的时间间隔；
Figure RE-GDA0002559321530000279
其中T36为负载不同时式，，之和所得的t3-t6的时间间隔，因此
Figure RE-GDA00025593215300002710
与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
激磁电流
Figure RE-GDA00025593215300002711
在T23经过两步谐振变为
Figure RE-GDA00025593215300002712
联立，-且
Figure RE-GDA00025593215300002713
Figure RE-GDA0002559321530000281
其中
Figure RE-GDA0002559321530000282
与每个开关周期中的负载电流值成正相关，因此由可得
Figure RE-GDA0002559321530000283
也与每个开关周期中的负载电流值成正相关。
辅助开关管Sa1-Sa4的体寄生电容与外部并联吸收电容Ca1-Ca4取值相同，之后公式中使用Ca_oss表示；主开关管S1-S2的体寄生电容与外部并联吸收电容C1-C2取值相同，之后公式中使用Cm_oss表示。
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11。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12。
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>5D</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>) 4.04uH
变压器副边电压(V′<sub>AUX</sub>) 60V
表2
根据具体元件参数表计算出各持续时间和
Figure RE-GDA0002559321530000284
与负载电流的关系：
DP1＝DN1＝141.323×10-9 \*公式(114)
Figure RE-GDA0002559321530000285
Figure RE-GDA0002559321530000291
Figure RE-GDA0002559321530000292
DP5＝DN5＝35.5×10-9 \*公式(118)
DP6＝DN6＝5×10-9+1.238×10-8iLoad \*公式(119)
DP7＝DN7＝89.392×10-9 \*公式(120)
Figure RE-GDA0002559321530000293
Figure RE-GDA0002559321530000294
Figure RE-GDA0002559321530000295
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ZVT磁化电流最小化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)和第一分压电容(Cd2)谐振电感(Lr)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)超前桥臂(AC-Lag)滞后桥臂(AC-Lead)激磁电感(Lm)，所述第一主开关管(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)和第一分压电容(Cd2)的中点相连；谐振电感(Lr)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、辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端相连于P点；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)的正极相连；辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的异名端和第二换流二极管(Dc2)的负极相连；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。
2.根据权利要求1所述的一种相位关联ZVT磁化电流最小化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、Sa2、Sa4处于导通状态，S1、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DP1,导通Sa3；
Figure RE-FDA0002559321520000011
Sa3导通后延迟DP2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-FDA0002559321520000012
关断Sa2，Sa3延迟DP3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-FDA0002559321520000013
Sa1，Sa4导通后延迟DP4,关断S2；
Figure RE-FDA0002559321520000014
S2关断后延迟DP5,导通S1；
Figure RE-FDA0002559321520000021
S1导通后延迟DP6,关断Sa1；
Figure RE-FDA0002559321520000022
Sa1关断后延迟DP7,导通Sa2；
Figure RE-FDA0002559321520000023
S1导通后延迟Ton，关断S1；
S1关断后延迟DP8，导通S2；
Figure RE-FDA0002559321520000024
当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、Sa2、Sa4处于导通状态，S2、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管DN1、DN2和开关管的反并联二极管处于关断状态；
t0时刻，关断Sa4；
Sa4关断后延迟DN1,导通Sa3；
Figure RE-FDA0002559321520000025
Sa3导通后延迟DN2,关断Sa2，Sa3；
Figure RE-FDA0002559321520000026
关断Sa2，Sa3延迟DN3，导通Sa1，Sa4；
Figure RE-FDA0002559321520000027
Sa1，Sa4导通后延迟DN4,关断S1；
Figure RE-FDA0002559321520000028
S1关断后延迟DN5,导通S2；
Figure RE-FDA0002559321520000029
S2导通后延迟DN6,关断Sa1；
Figure RE-FDA0002559321520000031
Sa1关断后延迟DN7,导通Sa2；
Figure RE-FDA0002559321520000032
S2导通后延迟Ton，关断S2；
S2关断后延迟DN8，导通S1；
Figure RE-FDA0002559321520000033
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为Sa3最短ZVS开通时间；T5D为S1(S2)最短ZVS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；V′AUX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；
Figure RE-FDA0002559321520000034
为保证完成Sa1-Sa4，完成ZVS换流的最小电流；
Figure RE-FDA0002559321520000035
为换流电感开始充电时的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-FDA0002559321520000036
为激磁电流由
Figure RE-FDA0002559321520000037
复位后的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
Figure RE-FDA0002559321520000038
Figure RE-FDA0002559321520000039
Figure RE-FDA00025593215200000310
Figure RE-FDA00025593215200000311
Figure RE-FDA00025593215200000312
Figure RE-FDA0002559321520000041
3.根据权利要求1所述的一种相位关联ZVT磁化电流最小化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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-FDA0002559321520000042
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4，激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000043
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002559321520000044
表达式为：
Figure RE-FDA0002559321520000045
Figure RE-FDA0002559321520000046
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000047
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000048
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-FDA0002559321520000049
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-FDA00025593215200000410
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP1为：
Figure RE-FDA00025593215200000411
t2时刻,励磁电流
Figure RE-FDA00025593215200000412
增至
Figure RE-FDA00025593215200000413
本模式持续时间为：
Figure RE-FDA00025593215200000414
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP2为：
Figure RE-FDA0002559321520000051
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；换流电感电流
Figure RE-FDA0002559321520000052
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000053
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002559321520000054
表达式为：
Figure RE-FDA0002559321520000055
Figure RE-FDA0002559321520000056
Figure RE-FDA0002559321520000057
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000058
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000059
由得，第一步结束后：
Figure RE-FDA00025593215200000510
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-FDA00025593215200000511
表达式为：
Figure RE-FDA00025593215200000512
Figure RE-FDA00025593215200000513
Figure RE-FDA00025593215200000514
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000061
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000062
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX，激磁电流为
Figure RE-FDA0002559321520000063
Da1，Da4自然导通；Sa1，Sa4达到ZVS换流条件；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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-FDA0002559321520000064
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000065
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DP3为：；
Figure RE-FDA0002559321520000066
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-FDA0002559321520000067
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-FDA0002559321520000068
和得：
Figure RE-FDA0002559321520000069
t4时刻，换流电流
Figure RE-FDA00025593215200000610
的值增至最大值：
iLr(t4)＝Ir+iLoad \*公式(48)
其中：Ir为换流电流
Figure RE-FDA00025593215200000611
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000071
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DP4为：
Figure RE-FDA0002559321520000072
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S2关断，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 RE-FDA0002559321520000073
Figure RE-FDA0002559321520000074
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000075
t5时刻，O点电位上升至VDC；本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000076
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000077
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位升至VDC,D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000078
S2关断到S1导通时间间隔DP5为：
Figure RE-FDA0002559321520000079
本模式持续时间为：
Figure RE-FDA00025593215200000710
S1导通到Sa1关断时间间隔DP6为：
Figure RE-FDA00025593215200000711
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-FDA0002559321520000081
激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000082
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000083
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP7为：
DP7＝T6-7 \*公式(61)
模式9(t8-t9):t8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；t9时刻,O点电位降至0，二极管D2自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S2；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000084
S1关断到S2导通时间间隔DP8为：
DP8＝T8-9 \*公式(63)
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，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为
Figure RE-FDA0002559321520000085
模式2(t0-t1):t0时刻，关断Sa4,，激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000086
对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；
R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002559321520000087
表达式为：
Figure RE-FDA0002559321520000088
Figure RE-FDA0002559321520000089
其中：
Figure RE-FDA00025593215200000810
在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA00025593215200000811
模式3(t1-t2):t1时刻，R点电位升至VAUX,Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；
本模式励磁电流为：
Figure RE-FDA00025593215200000812
Sa3的软开通时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000091
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN1为：
Figure RE-FDA0002559321520000092
t2时刻,励磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000093
增至
Figure RE-FDA0002559321520000094
本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000095
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN2为：
Figure RE-FDA0002559321520000096
模式4(t2-t3)：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX/2(Q点电位升至VAUX/2)前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX/2降至0(Q点电位由VAUX/2升至VAUX)前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；换流电感电流
Figure RE-FDA0002559321520000097
从零开始增加；激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000098
向正方向变化；
第一步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002559321520000099
表达式为：
Figure RE-FDA00025593215200000910
Figure RE-FDA00025593215200000911
Figure RE-FDA00025593215200000912
其中：
Figure RE-FDA00025593215200000913
在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX/2，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA00025593215200000914
由得，第一步结束后：
Figure RE-FDA00025593215200000915
第二步：Q，R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002559321520000101
表达式为：
Figure RE-FDA0002559321520000102
Figure RE-FDA0002559321520000103
Figure RE-FDA0002559321520000104
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000105
在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX(R点电位谐振至0)，本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000106
模式5(t3-t4)：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX,激磁电流为
Figure RE-FDA0002559321520000107
Da1，Da4自然导通；Sa1，Sa4达到ZVS换流条件，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；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；
本模式原边绕组电流为：
Figure RE-FDA0002559321520000108
辅助管Sa1,Sa4的软开通时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000109
Sa2,Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DN3为：
Figure RE-FDA00025593215200001010
充电模式(t3-t4)换流电感电流为：
Figure RE-FDA00025593215200001011
其中：V′AUX为变压器副边电压；
由t3时刻，激磁电流为
Figure RE-FDA00025593215200001012
和得：
Figure RE-FDA00025593215200001013
t4时刻，换流电流
Figure RE-FDA0002559321520000111
的值增至最大值：
iLr(t4)＝Ir+iLoad \*公式(88)
其中：Ir为换流电流
Figure RE-FDA0002559321520000112
中超过负载电流的部分
联立、，充电模式(T3-4)的持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000113
Sa1,Sa4导通到S2关断时间间隔DN4为：
Figure RE-FDA0002559321520000114
模式6(t4-t5):t4时刻，主开关S1关断，换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1充电C2放电，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 RE-FDA0002559321520000115
Figure RE-FDA0002559321520000116
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000117
t5时刻，O点电位下降至0；本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000118
其中：
Figure RE-FDA0002559321520000119
模式7(t5-t6):t5时刻，O点电位降至0，D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电感电流iLr线性下降，tD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-tD之间控制导通实现ZVS导通；
由,得：主开关ZVS开通模式持续时间为：
Figure RE-FDA00025593215200001110
S1关断到S2导通时间间隔DN5为：
Figure RE-FDA00025593215200001111
本模式持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000121
S2导通到Sa1关断时间间隔DN6为：
Figure RE-FDA0002559321520000122
模式8(t6-t8):在t6时刻，换流电感电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至
Figure RE-FDA0002559321520000123
激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000124
对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，Da2自然导通；
t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在t7-t8之间控制导通；
t6-t7持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000125
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN7为：
DN7＝T6-7 \*公式(101)
模式9(t8-t9):t8时刻，关断S2，负载电流iLoad对C1放电，C2充电，O点电位线性上升；t9时刻,O点电位升至VDC，二极管D1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S1；
t8-t9持续时间为：
Figure RE-FDA0002559321520000126
S2关断到S1导通时间间隔DN8为：
DN8＝T8-9 \*公式(103)
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 RE-FDA0002559321520000127
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T4-5和ZVS开通时间T5D，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 RE-FDA0002559321520000128
联立,,：
Figure RE-FDA0002559321520000129
由，得：
Figure RE-FDA0002559321520000131
其中由和有解可得β的取值范围为：
Figure RE-FDA0002559321520000132
为保证滞后臂能可靠换流且Sa3有足够得ZVS开通时间，联立,,得：
Figure RE-FDA0002559321520000133
当负载电流为0时，为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t＝t6)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t＝t3)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 RE-FDA0002559321520000134
联立,：
Figure RE-FDA0002559321520000135
其中T36_min为将iLoad＝0代入，，之和所得的t3-t6的时间间隔；
Figure RE-FDA0002559321520000136
其中T36为负载不同时式，，之和所得的t3-t6的时间间隔，因此
Figure RE-FDA0002559321520000137
与每个开关周期中的负载电流值成正相关；
激磁电流
Figure RE-FDA0002559321520000138
在T23经过两步谐振变为
Figure RE-FDA0002559321520000139
联立，-且
Figure RE-FDA00025593215200001310
Figure RE-FDA00025593215200001311
其中
Figure RE-FDA00025593215200001312
与每个开关周期中的负载电流值成正相关，因此由可得
Figure RE-FDA00025593215200001313
也与每个开关周期中的负载电流值成正相关。
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