这是一篇关于高可靠性电流源型逆变器的原创性研究论文。以下是针对该研究的详细学术报告。
论文题目： 具有电感电流连续通路的高可靠性电流源型逆变器 作者： 谢鹏瑶，朱才会，易子汉，邱剑，赵晖，刘克富 研究机构： 复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系 发表期刊： 《电源学报》(Journal of Power Supply)，第23卷第8期，2025年12月发表。
一、 研究背景与目标
该研究属于电力电子技术领域，聚焦于电流源型逆变器（Current-Source Inverter, CSI）的可靠性提升。电流源型逆变器因其输出电流稳定、负载适应范围宽以及在负载开路时无电流浪涌等固有特性，在对可靠性要求极高的应用中，如生物软组织焊接电源、等离子体电源以及电动汽车充电等领域，比电压源型逆变器（Voltage-Source Inverter, VSI）更具优势。
然而，传统的电流源型逆变器存在两个主要的应用瓶颈，限制了其进一步推广。首先，在连续放电模式下，储能电感上的电流顶降（current droop）过大，导致无法实现高精度的恒流输出。其次，当负载发生开路故障时，电感能量因无续流路径而瞬间释放，会在电感两端产生极高的感应电压，极易损坏电路元件。尽管已有学者提出了各种改进方案，如Chakraborty等人提出的基于Buck变换器的拓扑，以及Friedrichs等人提出的紧凑型拓扑，但这些方案或因需要额外的开关管、控制时序不独立、输出脉冲参数无法灵活调节，或依然缺乏完善的开路及过压保护机制，未能全面解决上述问题。
鉴于此，本研究旨在提出一种全新的高可靠性高频电流源型逆变器拓扑结构。该研究的核心目标是，通过对电路拓扑的创新性重构，为电感电流规划一条在任何工况下都连续的流通路径，从而从根源上解决电感能量续流和开路过压问题，实现前级DC-DC变换与后级H桥逆变在功能上的完全解耦，并最终使逆变器在恒流输出的基础上，兼具脉冲频率、占空比灵活可调以及开路保护、过压保护、短路保护等高可靠性功能。
二、 研究方法与详细工作流程
本研究遵循“理论分析-仿真验证-实验验证”的完整研究范式，主要分为以下几个步骤：
1. 新型电路拓扑的提出与能量传输模式分析 研究团队设计了一种如图1所示的创新性电路拓扑。该拓扑的关键在于改变了传统拓扑中电感、开关管和二极管的相对位置，将整个系统划分为直流供电、电感充电、尖峰吸收、H桥逆变和脉冲变压器五个功能模块。其核心思想是使电感充电模块（由电感L1、二极管D1和开关管S5构成）与H桥逆变模块（由开关管S1~S4构成）协同工作，保证电感电流在包括负载开路在内的任何状态下都存在连续通路。
研究人员详细分析了该电路在四种主要工作模式下的能量传输路径： - 双极性脉冲输出模式： 系统启动时，H桥开关S1~S4全部导通，通过控制Buck开关S5将电感电流充至设定值。当输出正、负极性脉冲时，通过控制S1~S4的特定组合，电感电流经由负载进行充电或续流。特别地，通过使H桥一侧桥臂直通（S1、S2开通，S3、S4关断，或相反），可实现零电平输出，同时为电感补充能量。若将零电平输出时间设置为零，则可输出无死区的双极性脉冲。 - 开路保护与能量回收模式： 当负载开路时，若保持S5开通，电感电流经由S5及二极管D2、D3形成内部环流，实现电流保持，负载恢复后可立即输出。若关断S5，电感电流则通过续流二极管D1回收至直流供电模块，实现了安全的能量回收，从根本上避免了过压风险。正常放电结束时也可利用此模态回收能量。 - 过压保护模式： 当负载阻抗过大导致输出电压过高时，电路的独特结构会自动将输出电压钳位在母线电压附近。分析表明，此时二极管D2、D3因正向偏置而导通，电感能量一部分流向负载维持输出，另一部分则被回馈到直流电源。研究人员利用基尔霍夫电压定律（KVL）和基尔霍夫电流定律（KCL）建立了该状态下的数学模型，如式(5)所示，定量描述了输出电压和回收电流的大小。 - 漏感能量回收模式： 针对变压器漏感在极性切换时可能产生电压尖峰的问题，研究人员在贴近H桥处加入了由电容C2和二极管D2构成的尖峰吸收电路。在输出停止、所有开关断开时，漏感能量会通过开关管的寄生二极管和D2被安全地回收至电容C2中。
2. 控制策略设计 为了实现恒流输出和独立控制，本研究采用了加入斜坡补偿的峰值电流控制模式。控制原理如图9所示。由于H桥模块输入端可等效为一个由S5控制的恒定电流源，因此，通过比较电感电流采样值、斜坡补偿信号和参考电流值，闭环控制Buck开关S5的导通与关断，即可使电感电流维持在预设值。此时，H桥的控制完全独立，只需改变其开关的频率和相位关系，就能灵活地调节输出双极性脉冲的重复频率和占空比，实现了前级恒流控制与后级脉冲波形生成的完全解耦。
3. 仿真验证 在MATLAB/Simulink平台搭建了仿真电路，参数如表1所示（输入电压85V，电感电流3A，开关频率250kHz等）。仿真测试了在不同脉冲占空比（0.5和1.0）下，负载在1Ω、10Ω、20Ω之间跳变时系统的响应。此外，还仿真了在0.5占空比下，负载由20Ω突降至1Ω以模拟短路故障的情况。
4. 实验样机验证 基于仿真模型，研究团队设计并搭建了一台实验样机。样机采用EP4CE10F17C8N FPGA实现控制算法，采用SiC MOSFET（型号GC2M0080120D）作为开关器件，并使用光耦和驱动芯片实现隔离驱动。实验中，采用脉冲簇的输出方式，用电流芯片（型号CC6920-10A）采样电感电流，并测量了负载电压。实验重点验证了不同脉冲占空比下的稳定输出性能、过压保护功能以及在死区时间（等效于负载开路）和桥臂直通（等效于负载短路）状态下的电路行为。
三、 主要研究结果
仿真和实验结果共同验证了所提拓扑的可行性与优越性。 仿真结果（图10和图11）表明，无论输出脉冲占空比是0.5还是1.0，电路在负载跳变时，控制环路均能在2个开关周期内迅速完成调整，保持恒流输出。当模拟负载短路时（图11），输出电压即刻下降，而电感电流因闭环控制被严格限制在设定值以下，未出现过流现象，证明其具备天然的短路保护能力。
实验结果（图13至图15）与仿真结果高度一致。图13和图14显示，在脉冲占空比为0.5和1.0时，系统均能实现稳定的双极性恒流输出。在脉冲簇间的死区时间内（等效于负载短路），电感电流得以维持，输出电压为零，无过压风险；在放电结束H桥全部关断后（等效于负载开路），负载电压降为零，电感电流安全回收。这完美验证了电路的开路和短路保护功能。值得注意的是，由于采用了斜坡补偿，电感电流的峰值在脉冲输出期间会略低于设定参考值，且输出功率越大，斜坡补偿系数越大，峰值越低，这与理论分析相符。图15展示了过压保护实验结果，当负载由20Ω替换为500Ω导致输出电压升高时，该电压被成功钳位至约85V的直流母线电压附近，而电感电流依然保持稳定，证明了部分电感电流被自动分流回电源，避免了过压损坏。
四、 研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一种具有高可靠性的高频电流源型逆变器。该电路的创新拓扑结构确保了电感电流在任何工况下都有连续通路，从而实现了开路、短路、过载等异常状态下的自适应保护，不会产生破坏性的过压或过流。同时，该设计实现了前级恒流控制与后级脉冲波形控制的完全独立，使其能够输出脉冲占空比灵活可调的双极性恒流脉冲，且在连续放电时电感电流无顶降。
本研究的价值体现在多个层面。在科学性价值上，它提出了一种全新的电路拓扑设计理念，通过重新规划能量流动路径，从本质上解决了困扰传统电流源型逆变器的可靠性难题，为后续研究提供了新的思路。从应用价值看，该逆变器更适用于生物医学、等离子体发生等对电源可靠性、安全性和输出波形灵活性要求严苛的场合，有望推动相关设备的性能提升和推广应用。
五、 研究亮点
本研究的亮点可以归纳为以下三点： 1. 创新的拓扑结构： 通过创造性地调整电感、开关和二极管的相对位置，构建了电感电流的“连续通路”，这是解决开路和过压问题的核心创新点。 2. 控制的完全解耦： 成功实现了前级DC-DC恒流控制与后级H桥逆变脉冲生成的功能独立，使得输出脉冲的频率和占空比可以灵活、自由地调节，克服了以往许多方案的局限。 3. 多重固件保护能力： 所提出的电路拓扑本身天然集成了开路保护、过压保护、短路保护和漏感能量回收等机制，无需额外的复杂保护电路即可实现高可靠性，这是其在实际应用中的巨大优势。