三相谐振软开关逆变及控制技术

欢迎大家一起研讨！交流变频调速器工程设计研修班谐振过渡软开关三相PWM逆变器西安电子科技大学机电工程学院电气工程系明正峰主要内容1、背景及意义2、谐振直流环节三相逆变器3、谐振极零电压过渡三相逆变器4、软开关技术变频器的设计举例5、全文总结1、背景及意义电压源三相逆变器的优点体积小、重量轻，低损耗、高效率（电容作为直流母线上的滤波储能器件）更适合于感性负载（在输出端不需要外加滤波电容器）功率器件上不需要串联反向阻断二极管……电压源三相逆变器典型构成传统硬开关三相逆变器的不足在三相PWM逆变电路的研究中，开关频率的提高一直是人们追求的目标。但传统硬开关逆变器的开关频率提高要受到开关功率损耗、EMI、噪声污染等一系列因素的制约。其中开关功率器件的开关损耗就是其中一个最主要的因素。开关S4开通开关S4关断开关S4通态VS4IS4VS4(pk)diS4/dtdVS4/dtdVS1/dtVS1(pk)VS1ID1trrtrrIrrtt开关功率器件开关过程典型波形对于由两个功率开关S1和S4构成的一个逆变桥臂（S1在上、S4在下）来说，当开关S4开通时，通过感性负载的电流将开始增加。当开关S4被关断时，感性负载中的电流不可能立刻发生变化，它必须通过开关S1上的反并联二极管D1进行续流。假设初始电流流过二极管D1，当开关S4开通时，负载电流将从D1中转移到S4中，遗憾的是，二极管D1不能立即从正向导通状态恢复到反向阻断状态，相反，在D1恢复到能承受反向电压之前，D1中有一个峰值很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流也要流过开关S4。所以，此时流过S4的电流是负载电流和D1反向恢复电流之和。而且，此时S4上的电压还仍然为直流母线电压。这样，开关S4开通时，将产生很大的开通损耗。而且将承受很大的电压和电流应力，如果这个应力超过其安全工作区的极限，功率开关器件将永久损坏。另外，当D1开始承受反向电压时，反向电流减少到零的同时承受一个很高的电压和一个很大的反向电流，因此反并联二极管也将产生很大的功耗。当开关S4被关断时，负载电流转移到二极管D1中，S4两端的电压慢慢上升到直流母线电压，此时流过S4的电流基本上等于负载电流；当S4中的电流减小到零，此时它承受的还是直流母线电压。因此，在开关S4关断期间也有一个较大的功率损耗。5010015020025030051015202530350开关频率（kHz）功率损耗（W）IGBT功率损耗部分总计开通关断通态开关功率器件开关过程功率损耗IGBT在通态、关断和开通等阶段的功率损耗以及IGBT的总功耗。在工作频率低于5kHz时，通态功耗是主要的，但当工作频率较高时开关功耗则变为主要的，开通功率损耗比关断功率损耗大。开关频率的提高受到以下因素的影响①硬开关将会导致较大的开关损耗。感性负载条件下，功率器件在开关瞬间将承受很大的瞬时功耗，一个周期内功率器件的开关损耗一般可占到总平均损耗的30%~40%。随着开关频率的增加，这种损耗将会成正比例的增加。过大的开关损耗使得功率器件的结温上升，不仅工作频率不能再提高，而且功率器件的电流、电压容量也不能在额定条件下运行②硬开关将会导致功率器件的二次击穿。感性负载条件下，功率器件关断时出现的尖峰电压，容性负载条件下，功率器件开通时出现的尖峰电流，很容易造成二次击穿，从而极大地危害了器件的安全运行，将会导致功率器件开关过程需要较大的安全工作区（SOA）。③硬开关将会导致较大的电磁干扰EMI）。在高频状态运行时，开关器件本身的极间寄生电容成为极重要的参数。这种极间电容在功率器件的开关过程中会产生两种不利因素，其一，在高电压下开通时，CU2/2的电容储能被器件本身吸收和耗散，势必增加温升，频率越高越严重。其二，极间电容电压转换时的dv/dt会耦合到输入端，产生电磁干扰，使系统不稳定。此外，极间电容与电路中的杂散电感会形成振荡，会干扰系统正常工作。④硬开关将会导致电路拓扑对器件的寄生参数十分敏感，而且存在着上下桥臂直通的问题。传统硬开关电路中设置了功率器件的开通延迟时间（死区时间），但在高频情况下，为了消除该死区时间对逆变器输出性能的影响，采取的校正措施又使整个系统的设计变的复杂起来。⑤硬开关条件下，逆变器中缓冲电路的设计是必不可少的，它可以限制功率器件开通时的di/vt、关断时的dv/dt，使动态开关轨迹缩小到直流安全区（SOA）之内，保证功率器件能够安全运行。但吸收电路并不能消除开关损耗，因此系统总的功耗不会减少，又增加了整个逆变器结构设计的难度。同时还会导致能量再生过程中续流二极管反向恢复和吸收电路的相互干扰引起较大的器件应力。⑥硬开关将会导致功率器件工作在较高的开关频率时，会在音频范围内时引起噪声污染。⑦硬开关将会导致逆变器电路对输入/输出滤波器的要求较高。软开关技术三相逆变器的提出与PWM硬开关电路相反，在谐振软开关电路中，功率器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）条件下切换，理论上开关损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型功率器件条件下，谐振软开关电路可以很轻松地在高于一个或几个数量级的开关频率下工作。高的开关频率使谐振软开关电路具有许多明显的优点，如低噪音，低电磁干扰（EMI），输出波形的谐波成分少；另外，由于功率器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）条件下动作，功率器件的动态轨迹将大为改观，并使得吸收电路成为多余，散热器尺寸将大大减少，从而使设备尺寸及重量大大减少，功率器件可在高可靠性和高效率条件下工作。总而言之，人们过去在硬开关PWM电路设计中追求的许多目标，在软开关条件下都容易的实现了。软开关技术三相逆变器研究现状软开关技术出现在80年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心（VPEC）的李泽元（F.C.Lee）教授等研究人员提出了谐振开关——软性开关的概念，并成功的运用到了DC-DC变换器中，1986年，美国威斯康星大学的D.M.Divan教授提出了谐振直流环节逆变器（RDCLI—ResonantDCLinkInverter）和谐振极逆变器（RPI—ResonantPoleInverter），这两种建立在电压源三相逆变器基础上，适用于各种DC-AC逆变器的新型软开关电路拓扑，世界各国有关研究人员的重视。在每一年的IEEE-IAS年会、IEEE-PESC年会、IEEE-IPEC会议及IEEE的几种电力电子重要期刊上都有大量的关于这个领域的研究论文发表，目前已提出多种不同拓扑的谐振软开关逆变电路。谐振网络位置和结构的变化，特性及谐振形式的不同（并联或串联），使得软开关技术逆变器电路结构变得多种多样。但从谐振能量发生的位置来看，基本上可以分为两大类：1．谐振直流环节（ResonantDCLink）逆变器：谐振DC环节三相逆变器电路一般构成。所有的基于谐振环节的的逆变器，无论结构如何变化，只是对谐振环节的结构加以变化，从而构造出诸如谐振直流环节逆变器（RDCLI），改进型的谐振DC环节逆变器（IRDCLI），有源钳位谐振直流环节逆变器（ACRDCLI），并联谐振DC环节（也称为准谐振DC环节）逆变器（QRDCLI）等等。当把LC谐振网络以串联的方式接入直流母线时，还可以构成串联谐振零电流开关三相逆变器，在这种逆变器中，直流母线上的电流波形为不断过零点的脉冲形式，给三相逆变桥开关提供一个零电流开关条件。直流母线上的电压工作波形。直流母线电压ttPWM期间PWM期间谐振环节动作期间硬开关等效死区时间零电压保持模式谐振电容放电模式谐振电容充电模式逆变开关状态切换2．谐振极（ResonantPole）逆变器：谐振极三相逆变器电路的一般构成。这种电路对逆变器内部主功率器件的开关切换很重要，通过无损耗电容和换流电感的部分谐振实现ZVS动作。近年来，研究工作者对该类电路的研究也大都是集中在对辅助谐振网络的结构变化和工作特性的分析，先后出现了诸如辅助谐振转换极逆变器ARCPI及多种改进型的电路拓扑，零电压过渡PWM逆变器（ZVT-PWM）和零电流过渡PWM逆变器（ZCT-PWM）及多种改进型结构等等。辅助谐振转换极软开关模式也适用于大容量多电平（3电平）PWM电压源型逆变器，此时即使开关频率较低，生成的正弦波精度也比辅助谐振转换极二电平PWM电压源型逆变器高，可降低电磁噪声。谐振极逆变器（RPI）需要解决的问题到目前为止，大多数讨论谐振软开关逆变器的文章仍然称其为下一代逆变器，主要是因为在大功率范围的应用上，这种类型的逆变器仍然存在着一些需要解决的问题：①谐振峰值对功率器件的影响，就会影响其输出功率的提高，因此应设法使器件承受的电压和电流变小。②在零损耗换向条件下，电路要简单，谐振换向电路采用的辅助元件要少，否则难以减小总的体积。③控制策略简单，易于实时控制，并具有良好的动态和稳态性能。④开关频率的大幅度提高，对主开关器件的选择，杂散电感及连线的集肤效应要进行考虑。⑤信号检测和处理速度要满足谐振频率的需要。⑥主电路的控制策略和谐振环节同步，否则将产生大量次谐波，高开关频率的优点对性能影响将不显着。⑦要求谐振只在换向时发生，实现无损耗换向，其它时间不工作，提高母线电压的利用率。另外，在用于电机驱动的软开关逆变器中，如何实现电机的四象限运行、输入输出之间能量的双向流动、功率因数校正及真正的PWM调制及提高效率等方面，也是研究人员讨论的一个热点。围绕这些问题的解决，近几年来，世界各国有关研究人员在不断的进行着探索，许多改进电路和新型拓扑的不断涌现，推动了软开关技术在DC-AC逆变器中的应用。毫无疑问，它将成为新一代逆变器的发展主流，随着这种技术的成熟，它必将产生较大的经济效益。并对工业的发展与进步做出其应有的贡献。2、新型直流母线零电压过渡（DC-RailZVT）三相PWM逆变器电路RDCLI电路是最基本、简单的三相软开关逆变器电路，但存在着谐振电压峰值过高、不能实现PWM技术等缺点；现有谐振直流环节逆变器电路的一些不足谐振网络三相逆变桥国内已有文献[22]介绍在实验室中用该系统驱动1.5kW三相鼠笼式异步电机，与传统的SPWM方式相比，在开关频率为20kHz时，具有噪声小、整机发热小、运转平稳等优点。国内还有许多文献也对该电路的实际应用做了大量的工作。然而，RDCLI电路显然不是一种实用的拓扑结构，因为该电路存在着诸多的缺点，如器件承受电压应力高（2.0~3.0倍的电源电压E），谐振电感处于主功率传送通道，只能采用离散脉冲调制（DPM）等缺点。ACRDCLI电路虽然解决了谐振电压的部分箝位问题（1.1~2.0E），但仍存在不能实现PWM技术等缺点；有源箝位谐振网络三相逆变桥有许多文献在该电路的实际应用方面做了工作，其中文献[28,29]介绍了该电路在永磁同步电机中的实际应用,并对该电路进行了详细的理论分析，画出了该电路实际工作时的框图及一些实际问题的解决方法，其中文献[28]中采用了滑模控制，负载电机为4kW，谐振频率大约为18kHz，采用MOTORLA的16位芯片MC68000CPU实现控制策略，文献[29]中采用了建立在DSP基础上的预测电流控制技术，采用TI公司的32位可进行浮点运算的芯片TMS320C30，谐振频率20kHz，逆变桥开关选用IGBT。在这两种文献中，在效率方面和传统电路做了比较，证明其取得了很好的效果。然而，ACRDCLI电路虽然解决了RDCLI电路的电压钳位问题，但谐振电感的能耗问题，离散脉冲调制问题都没有解决，况且谐振峰值也只钳位至1.2~1.4E。QPRDCLI电路实现了把谐振电感移出主功率传送通道、把谐振电压箝位在电源电压、谐振过程可以得到控制，但是也存在着需要电感电流阈值设定（实现逻辑复杂和不实用），感性负载时续流二极管非软关断、对SPWM技术和SVPWM技术非完全适应的问题。辅助准并联谐振网络三相逆变桥对几种准并联谐振直流环节PWM逆变器（QPRDCLI）电路的分析可以得出这样的结论：该类电路的提出虽然解决了谐振直流环节逆变器（RDCLI）电路中存在的一些不足，诸如把谐振电感移出了主功率传送通道，把谐振电压箝位在电源电压，谐振