随着电力电子变换器的应用领域不断扩大，对其各方面性能的要求也在不断提高。为了改善电力电子装置的动态性能、提高单位体积的功率密度，使其高频化则是电力电子技术发展的方向。但随着开关频率的提高，开关损耗急剧增大，使得变换器的效率严重下降 [1-2]，从而限制了电力电子装置变换频率的提高、性能的改善及应用领域的扩大。为了减小开关损耗，提高效率，软开关技术被应用于电力电子系统中。软开关从早期的耗能式吸收[3-4]，到后来提出的部分馈能式[4]、无损耗方案[5],可以分为无源与有源两大类。无源无损软开关技术(PLLS)与有源软开关技术相比，价格更便宜、可靠性更高，具有更高的性价比，近年来受到了广泛的探讨和研究。

无源无损软开关有两种：(1)电感串入开关支路，从而实现零电流开通并抑制二极管反向恢复电流;(2)电容并入开关支路，实现其零电压关断。参考文献[2]中超前管实现了零电流开通，滞后管实现了零电压关断；参考文献[6-7]中提出了用6个元件实现所有开关零电流开通的软开关方案，同时提出了用12个元件实现所有开关的零电压关断和零电流开通的软件开关方案；参考文献[8]中提出了用10个元件实现所有开关的软开关。目前开关功率电路趋向于模块化，使得可供放置无源吸收元件的空间也越来越小[2，8]，因此对于大功率全桥逆变电路，用最少的元件同时实现所有开关的零电压关断和零电流开通，具有很实用的工程价值。

本文提出了一种新型无源无损软开关全桥逆变器拓扑结构，此电路可以实现桥臂所有开关器件的零电流开通与零电压关断，并且零电压电容上的能量直接回馈给负载端。此电路仅使用8个无源元件，原理简单，所实现软开关效果好。

1 电路的工作原理

本文提出的PLSS(无源无损软开关)全桥逆变器电路拓扑如图1所示。

下面将详细分析图1所示的PLSS全桥逆变器的工作原理。在分析全桥逆变器无源无损软开关工作过程时，做了如下假设：(1)电路中的所有元件为理想元件。(2)在开关状态变化的过程中负载电流Io的大小和方向不变。(3)缓冲电容Cs的作用是存储和转移零电流开通电感Lr和零电压电容Cr的能量，其值比零电压电容Cr的值大得多，Cs两端电压波动很小(仿真结果也证实了这一点)，因此在分析时可以假设其大小和方向不变，以VCs表示。

图1所示的PLSS全桥逆变器的工作过程可以分为以下五个阶段进行分析，如图2所示。

(1) 阶段1(t<t0)

此时电路处于开关器件S1和S4正向载流的稳态。零电流电感Lr中的电流iLr=Io，两个零电压电容两端的电压分别为vcr1=Vs, vcr2=0。

(2) 阶段2(t0≤t<t1)

t=t0时，开关器件S1和S4同时关断，is1=is4=0。阶段2的等效电路中有三个回路。第一个是续流回路——负载、D3、Vs、Ds1、Ds2、Cs和D2，仿真发现，续流时间很短，而且续流电流很小，负载电流Io大部分通过了第二个回路。第二个回路包括cr1、负载和cr2，由于续流电流很小，可以假设通过这个回路的电流大小为负载电流Io，则电容Cr1放电，电容Cr2充电，这两个零电压电容两端电压变化的速度分别为：

由于开关器件S1上的电压Vs1=Vs-vcr1，开关器件S4上的电压vs4=vcr2+VCs，因此Vs1随着vcr1的减小而增大，vs4随着vcr2的增大而增大，而且

式(2)给出了当开关器件S1和S4零电压关断时它们两端的电压上升速度，可以看出，这与负载电流和零电压电容的大小有关。仿真时取cr1=cr2，当这个过程结束时，vcr1=0，vcr2=Vs，Vs1=Vs，vs4=Vs+VCs。由于二极管Ds1和D3的箝位，vcr2不能超过Vs。这个过程所需时间为△t1=VsCr1/Io。在这个阶段中，必须实现电容Cr1的完全复位，因此使Cr1完全复位的时间必须小于等于这个阶段的总时间，即死区时间(1-d)T/2，有：

电路工作时，负载电流、电源电压Vs和死区时间必须满足式(3)，才能使零电压电容Cr1完全复位，从而保证功率开关器件零电压关断。第三个回路包括Lr、Ds1、Ds2和Cs，这实际上是零电流电感Lr中的能量谐振转移到缓冲电容Cs中的过程。由于t=t0时iLr=Io，因此：

(3) 阶段3(t1≤t<t1)

t=t1时，开关器件S2和S3同时开通。通过开关器件的电流将随着通过电感Lr的电流一起上升，实现其零电流开通。

在阶段2接近结束时，vs2=0，vcr2=Vs，此时有vs2=vs2+VCs=VCs，Vs3=Vs-vCs2=0，仿真表明，VCs的值比较小。因此，在阶段3中，除了可以利用电感Lr实现开关器件的零电流导通之外，同时还能实现开关器件的零电压导通。当iLr=Io时，电路将进入开关器件S2和S3正向载流的稳态。在这个阶段还存在着一个谐振回路——Cs、Ls、Ds3和S2，当开关器件S2开通时，Cs通过谐振将能量转移到缓冲电感Ls中。谐振过程的主要表达式为:

的周期长于变换器的开关周期，这里的谐振过程只需令Cs把阶段2中Lr转移过来的能量释放出去即可。由于这个谐振回路的存在，使得通过开关器件S2的电流is2(t)=Io+iLS(t)。

(4) 阶段4(t1≤t<t3)

阶段4的等效电路中有4个回路。与阶段2类似，第一个是续流回路——负载、D1、Vs、Ds1、Ds2、Cs和D4。第二个回路包括负载、Cr1和cr2，同样地，因续流电流很小，可以假设通过这个回路的电流大小为负载电流Io，根据负载电流的方向可知，电容Cr1充电，cr2放电，这两个零电压电容两端电压变化的速度分别为:

式(9)给出了当开关器件S2和S3零电压关断时它们两端的电压上升速度。仿真时取Cr1=cr2，当这个实现开关器件S2和S3零电压关断的过程结束时，vs2=Vs，vcr2=0，vs2=Vs+VCs，Vs3=Vs。由于二极管Ds1和D1的箝位，vs2不能超过Vs。这个过程所需时间为△t1=VsCr1/Io。同样，在这个阶段中，为了实现电容cr2的完全复位，可以推导出与式(3)一致的工作条件，得到与阶段3一致的软开关工作范围。

第三个回路包括Lr、Ds1、Ds2和Cs，这是零电流电感Lr中的能量谐振转移到缓冲电容Cs中的过程，与阶段2的第三个回路完全相同，不再赘述。

第四个回路包括Ls、Ds3、D1、Vs、Ds1、Ds2，缓冲电感Ls中的能量通过这个回路回馈到电源Vs。必须说明的是，当S2关断时，阶段3中通过Cs、Ls、Ds3、S2回路进行的谐振过程已经被强迫停止。

(5) 阶段5(t3≤t≤t4)

t=t3时，开关器件S1和S4同时开通，通过开关器件的电流将随着通过电感Lr的电流一起上升，实现其零电流开通。

前面已述及，在阶段4接近结束时，vs2=Vs，vcr2=0，此时有Vs1=Vs-vs2=0, vs4=vcr2+VCs=VCs，仿真表明，VCs的值比较小。因此，在阶段5中，除了可以利用电感L实现开关器件S1和S4的零电流导通之外，同时还能实现它们的零电压开通。

t=t4时，iLr=Io，电路将进入开关器件S1和S4正向载流的稳态，即循环回到阶段1的电路状态。

PLSS全桥逆变器软开关工作范围如图3所示。

由以上分析可知，在此PLSS全桥逆变器中，两个零电压电容上的能量直接回馈到负载，不经过中间元件的转移，原理简单，所需附加元件少。

2 仿真分析

对图1所示PLSS全桥逆变器电路,在前面理论分析的基础上，用仿真软件Saber进行了仿真验证。仿真参数如下：

主电路参数:输入电压Vs=100V，开关频率f=25kHz，开关总占空比d=0.9，负载为电阻RL与电感L串联的形式，其中RL=50Ω，L=100μH；无源软开关辅助电路参数：零电流电感Lr=2μH，缓冲电感Ls=70μH，零电压电容Cr1=cr2=20nF，缓冲电容Cs=20μH。

仿真结果如图4和图5所示。图中is1和is2分别为通过开关器件S1和S2的电流，Vs1和vs2分别为它们两端的电压，iLr为通过零电流电感Lr的电流，vs2和vcr2分别为零电压电容Cr1和cr2两端的电压，vCs为缓冲电容Cs两端电压，iLs为通过缓冲电感Ls的电流。

由图5的仿真波形可以看出，缓冲电容Cs两端电压vCs在电路工作过程中波动很小，其值也很小，远小于电源电压Vs和零电压电容两端电压vs2和vcr2。由于在阶段1、2、4、5中，vs2=vs2+VCs，理论波形中为了说明其原理，突出了VCs值的显示，而在仿真波形中较小的VCs值实际上几乎被vs2值所掩盖，这使得图4中vs2的仿真波形与理论波形看起来略有不同。

3 实验结果

实验时采用的主电路输入电压为Vs=50V，其他电路参数与仿真参数完全相同。实验波形如图6和图7所示。图6所示为开关器件S1的电流is1与电压Vs1的波形。可以看出，实验波形与仿真波形相当接近，可以实现有源开关器件S1的零电流开通和零电压关断。

本文提出并详细分析了一个PLSS全桥逆变器电路。此PLSS全桥逆变器能实现全部主开关器件的零电流开通与零电压关断，只在原电路基础上增加了8个无源元件，并且零电压电容上的能量直接回馈给负载，原理简单，效率较高。在理论分析的基础上，对所提出的电路进行了仿真和实验，仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。