软开关技术在变频器中的应用研究毕业论文.docVIP

闽南理工学院闽南理工学院 毕业设计（论文） 题 目 软开关技术在变频器中的应软开关技术在变频器中的应 用研究用研究 系 别 电子与电气工程系 专 业 电子信息工程技术 班 级 学 号 姓 名 指导教师 完成时间 评定成绩 教务处制 2013 年 5 月 26 日 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 摘要摘要 21 世纪的电力电子产品应该是无公害或低公害的“绿色” 产品。因此如何在变 频应用领域实现这一目标具有十分重要的现实意义。本研究课题的目标是三相软开 关变频器 DC 直流环节的并联谐振，实现逆变桥上每个功率开关器件以零电压方式开 通，达到软开关的目的。并以 TI 公司的 TMS320LF2407 型 DSP 为核心构成整个系统 的控制电路，进行异步电机新型控制策略的研究。 电路采用 IMP 模块来实现 DCAC 逆变；控制电路是以 TMS320LF2407 DSP 评估 板为核心扩展出的印刷线路板，主要生成各种触发信号、保护信号以及实现变频器 的部分功能。在逆变器正常工作的基础上对中间谐振环节，即零电压开关电路进行 了初步的实验测试，讨论了相关参数的设定及其对于谐振的影响，为进一步开发高 性能三相软开关双 PWM 变频器打下了基础。 关键词：关键词：软开关；变频器； PWM 技术 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + AbstractAbstract Power by twenty-first CenturyElectric and electronic products in twenty-first Century should be no or low public hazard “green“ products. So how to achieve this goal in inverter application field has a very important practical significance. The target of this paper is the parallel resonant DC link three-phase soft-switching inverter DC, realization of each power switch inverter with zero voltage soft switch to open the way, the purpose of. Taking TMS320LF2407 DSP TI as the core control circuit of the whole system, to study new control strategy of induction motor. The circuit uses the IMP module to realize the DC - AC inverter; control circuit is a printed circuit board with the TMS320LF2407 DSP evaluation board as the core extends out of the main, to generate a variety of trigger signal, protection signal and realize some functions of frequency converter. Based on inverter working on the intermediate resonant link, namely zero voltage switching circuit preliminary experimental tests were carried out, and discusses the relevant parameters and its influence on resonance, for the further development of high performance three-phase soft-switching PWM converter foundation. KeyKey wordword: soft switch ; transducer ; PWM ; 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 目目 录录 前前 言言 1 1 第一章第一章 软软开开关关基基本本知知识识2 2 1.1 硬开关与软开关 2 2 1.2 典型的软开关电路 3 第二章第二章 软开关在变频器中的应用设计软开关在变频器中的应用设计. . 44 2.1 目前大功率变频器的研究特点 .4 2.2 软开关变频器的主电路设计4 2.3 零电压过渡变频器主电路的设计 .5 2.4 功率开关器件类型和参数的选择 5 第三章第三章 软开关变频器的控制电路设计软开关变频器的控制电路设计 9 9 3.1 谐振环节辅助开关的控制原理8 3.2 软开关变频器的控制设计和实现 10 3.3 开关功率器件驱动电路的设计 11 结束语结束语 1515 致致 谢谢 1616 参考文献参考文献 1717 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页1 前前 言言 如今软开关变换器都应用了谐振原理, 在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐 振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的 基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术 与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的 零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸 收能量恢复电路被 ZCT、ZVT 谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络 或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也 可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四 种状态的任意组合。由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关 技术将成为新的发展趋势 。 第一章第一章 软软开开关关基基本本知知识识 1.11.1 硬开关与软开关硬开关与软开关 软开关电源是相对于硬开关电源而言的。人们通常所说的开关电源，指的是硬开关 电源。这种电源，开关器件（开关管）是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路 的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即所谓开关损耗。电源的工作状 态一定时，开关器件开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页2 耗也就越大。同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加 损耗并产生电磁干扰，因而硬开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施。 软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压 开关，或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开 关损耗的开关过程中激起的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为开关电源小型化、 高效率创造了条件。 1.1 硬开关的开通过程 1.2 硬开关的关断过程 1.3 软开关的开通过程 1.4 软开关的关断过程 1.21.2 典型的软开关电路典型的软开关电路 软开关技术的发展历程可以将软开关电路分为准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转 换 PWM 电路。其中零电压开关准谐振电路、零电压开关 PWM 电路和零电压转换 PWM 电 路分别为三类软开关电路的代表。谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零电 压开关脉冲调宽变换器、零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、 零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零 电流转换全桥直流/直流变换器及钳位吸收技术均可实现软开关电源。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页3 第二章第二章 软开关在变频器中的应用设计软开关在变频器中的应用设计 2.12.1 目前大功率变频器的研究特点目前大功率变频器的研究特点 1）开关频率的提高 如果能将变频器中功率器件的开关频率在原有基础上进 一步大大提高，将会带来一系列好处。如输出波形中的低次谐波被更有效地抑制，输 出电压和电流将更趋于正弦波形，滤波器的尺寸将大大缩小等，变频器，特别是大功 率的变频器，功率密度和性能将会得到很大的改善。 2）开关损耗的减少 由于大功率变频器功率器件开关过程损耗的绝对值很大， 当需要提高开关频率时，这种开关损耗将会更加明显，所以，在变频装置中如何减少 开关频率提高时的开关损耗，也是一个迫切需要解决的问题。 3）吸收电路的改善 在传统的硬开关条件下，每一个开关器件或者一个逆变桥 臂上都需要一个吸收电路，此时的吸收电路需要较大电阻、电容和二极管，这不但增 大了整个装置体积和安装难度，而且不能节约能源。如何能够省掉吸收电路，又能保 护功率器件的安全运行，也是人们所关注的。 4）变频器体积的缩小 随着功率器件制造技术的发展，在大功率变频器中，为 功率器件散热而设计的散热器要占很大的体积，从而使得大功率变频器的体积比较大。 对于一些特殊的应用场合，比如电动汽车，电力机车等，要求变频器功率大，体积小。 这就需要解决减小散热器体积的问题。 2.22.2 软开关变频器的主电路设计软开关变频器的主电路设计 在软开关技术三相变频器电路的研究中，谐振过渡软开关技术模式综合考虑了 PWM 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页4 技术和软开关技术的优点，这种电路的基本构想是在保持传统三相 PWM 逆变桥工作方 式不变的情况下外加一个辅助的谐振电路。谐振变换器实际上是负载谐振型变换器， 按谐振元器件的谐振方式可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器;按负载与电路的连 接关系可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元 器件自始至终处于谐振的工作状态，参与能量变换的全过程。这类变换器对负载变化 很敏感，一般采用频率调制的控制方法。 辅助谐振电路仅仅工作在逆变桥主功率开关器件工作状态改变时一个很短的瞬间， 所以对辅助电路中开关功率的要求很小，又能为逆变桥上的所有开关管和二极管状态 的改变提供软开关条件。 2.32.3 零电压过渡变频器主电路的设计零电压过渡变频器主电路的设计 1）零电压过渡软开关技术在一定程度上借鉴了零电压过渡 DC/DC 变换器的思想， 就是仅解决功率开关器件关断时的零电压条件，而功率开关器件的关断过程还是依靠 在功率开关器件两端并接吸收电容的方法来控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌 电压，以此来减少功率开关器件的关断损耗。但在功率开关器件开通时，零电压条件 的产生也和该吸收电容有关，此时的吸收电容成为谐振电路中一个很重要的谐振元件。 所以，该吸收电容的选择要综合考虑各方面的要求，当然满足功率开关器件的关断吸 收是首先应该考虑的。这在主电路的设计中需要借用硬开关技术变频器的一些设计思 路。 2）零电压过渡软开关技术的最明显特点是减小了功率开关器件的开关损耗，而开 关损耗在硬开关技术逆变器中的直接表现就是功率开关器件的发热，所以，要合理地 设计为功率开关器件散热而使用的散热器。软开关技术变频器中如何根据其工作过程 来设计散热器也需要借用硬开关技术变频器中的一些思路。 为了更好地阐述零电压过渡软开关技术变频器中主电路的设计，将以硬开关技术 变频器的设计思路为依据，采用对比的方法加以描述。 2.42.4 功率开关器件类型和参数的选择功率开关器件类型和参数的选择 开关器件类型的选择应该根据变频器容量和对体积重量的要求来确定，还要考虑 开关频率，制造成本等多方面的要求。在本文软开关技术变频器的主电路的设计中， 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页5 考虑到负载的感性特征，我们采用将功率开关和其上反并联的二极管一体化封装的绝 缘栅双极晶体管（IGBT）。 2.1 ZVT-PWM 三相变频器主电路结构示意图 通常情况下，功率开关器件参数的选择应考虑以下几个方面的因素。 1) 开关器件额定值（额定电压和额定电流）的选择 根据功率开关器件生产厂家提供的资料，正确选用 IGBT 有两个关键的因素：一是 功率开关器件关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处于开关安 全工作区的规定之内（即小于两倍的额定电流）；二是 IGBT 工作时的内部结点温度必 须始终保持在 150以下。在任何情况下，包括电机过载时，都必须如此。 2）开关器件的安全工作区（SOA）选择 设计中很重要的一点是防止 IGBT 因过电压或过电流而引起的损坏或工作的不稳定。 例如，用于电机控制和作为变压器负载的变频器或斩波器，IGBT 有规范其开通过程和 通态工作点额定值的正向偏置安全工作区（FBSOA），规范其关断过程和断态工作点额 定值的反向偏置安全工作区（RBSOA）和规范其短路容量的短路安全工作区（SCSOA）。 3）降额因素的考虑 引起器件降额的最主要因素是温度，而降额最明显的指标是功率开关器件的电流 容量。由于半导体在较高的温度条件下会变成导体从而失去电压阻断能力，因此，功 率开关器件工作中管芯的温度结温不能超过允许值。结温又必须与上限值保持一 定的裕量，因此，允许的结壳温差要小得，从而使器件实际允许的耗散功率大打折扣。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页6 由于耗散功率同流过器件的电流密切相关，因此器件实际允许的电流容量也就下降了。 功率开关器件选择包括两个部分 1）相当于传统硬开关技术变频器中的三相逆变桥电路中的开关功率器件。 相对于传统的硬开关技术逆变器来说，零电压过渡软开关技术变频器中主功率开 关器件工作过程中的最大改变就是在零电压条件下开通，由于硬开关技术变频器中也 有吸收电路的存在，所以，主功率开关器件的关断过程两者是一样的。另外，主功率 开关器件的稳态损耗两者也是一样的。所以，在本项目的研究中，对主功率开关器件 的选择参考了硬开关技术变频器的选择原则。 2）辅助谐振回路中的辅助功率开关器件 辅助开关的工作时间可以控制得很短，所以，对其功率要求比较小，但通过其中 的峰值电流并不小，高于主开关功率开关器件，对于 IGBT 来说，无论峰值电流通过的 时间长短，其额定电流的选择一定要保证为通过其峰值电流的 1.52.0 倍。但是，在 这里可以充分利用 IGBT 的安全工作区，在安全工作区内，IGBT 可以承受至少两倍的额 定电流值，且不会对 IGBT 有任何的损坏。 （3）根据变频器的容量选择以及后面对吸收（谐振）电容及谐振电感的选择。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页7 第三章第三章 软开关变频器的控制电路设计软开关变频器的控制电路设计 3.13.1 谐振环节辅助开关的控制原理谐振环节辅助开关的控制原理 控制电路对整个电路的正常工作起着举足轻重的作用。与主电路不同，它主要处 理控制信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关功率器件的正常工作， 一旦出现失误，将造成严重后果，使整个变频器停止工作或损坏。 极谐振零电压过渡的基本工作原理：假定电路开始工作时，负载电流的方向如图 3-2 中所示（为正），并且开关，处于开通状态，二极管，正在续流。在 3 S 4 S 3 D 4 D 关断开关，之前，先在零电流条件下开通辅助开关，谐振回路中的谐振 3 S 4 S 3r S 4r S 电感开始储存能量，即电感电流从零上升至予置电流（该予置电流大于负载电流）， 此时关断开关，由于开通死区时间的设置，开关，还没有开通，谐振电容 3 S 4 S 1 S 6 S ，和谐振电感之间构成了谐振回路，谐振的结果是，电容，通过电感 1r C 6r C r L 1r C 6r C Lr 释放能量，同时，电容，储存能量至母线电压，二极管，导通，为开 3r C 4r C 1 D 6 D 关，创造一个零电压开通条件，辅助开关，在零电流条件下关断，从而完 1 S 6 S 3r S 4r S 成一次主开关的 ZVT 过程。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页8 3.1 单相全桥等效逆变电路 要实现该电路正确的 ZVT 过程，下面的几点是关键的： 1）谐振电感中能量的予储存，即主功率器件关断之前，辅助电路中开关的提前开 通，且提前量（时间）应该和负载电流相关； 2）辅助电路中开关的开通选择（顺序）应该和主功率器件的 ZVT 顺序相关； 3）主功率器件的的延迟开通（传统逆变器中称之为死区时间）是必不可少的，且 该时间的大小与谐振过程中谐振电容的充放电时间有着重要的关系； 4)谐振电感中能量予储存的大小应该满足谐振和电容的充放电要求。 由此得出辅助电路控制有两种可能的实现方案：一种方案是固定时间控制，其原 理是，在每个逆变桥开关状态发生改变之前，用一个固定的时间来为谐振电感储存能 量；另外一种方案是变时间控制，其基本原理是，使谐振电感的储存能量时间随负载 电流的改变而改变。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页9 3.2 单相等效电路 ZVT 工作的原理波形 固定时间控制最大的优点是控制过程简单，易于实现，但是，它会由于增加不必 要的谐振峰值电流，延长辅助开关的导通时间，从而降低逆变器的效率。而变时间控 制虽然克服了上述缺点，但需要检测相电流的值，控制过程较为复杂，且增加了硬件 的成本。 由上面的分析可以看出，辅助开关的提前开通，谐振电感的能量储存是谐振过程 正确发生的基本条件。 在谐振电感的设计中，已经给出了辅助开关的提前开通时间为 cm t rXcm LI E t 3 式中：E为电源电压。 谐振周期可以表示为 r T rrr CLT 式中：为电路谐振时的等效电容。 r C 谐振电感中电流的下降时间和上升时间大约相等，即 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页10 stt cd 2 辅助开关的总开通时间可以表示为 cm t sCLLI V tTtt rrrx r drcsr 5 32 所以，一旦谐振电感和电容确定之后，对应于逆变桥三相桥臂的每组两个辅助开 关的开通时间是固定的。 从前面的分析可以看出，如果预置电流随相电流的变化而变化，则也将成为 X I sr t 相电流的函数，而变化的将使得控制的实现变得复杂，所以应该在最大负载电流条 sr t 件下，选择一个固定的预置电流和。当然在轻负载条件时，谐振电感中所储存的 X I sr t 能量将远远大于谐振时需要的能量。 3.23.2 软开关变频器的控制设计和实现软开关变频器的控制设计和实现 软开关技术变频器控制器的设计原则: 1）关技术变频器首先要完成变频器的所有功能。 2）谐振网络中辅助开关的控制逻辑的实现，考虑两种方案：第一，由逻辑器件 IC 构成一个专用的控制板；第二，在传统的硬开关技术变频器控制板中，增加相应的硬 件电路（主要是用来控制三个辅助开关的 PWM 接口） ，并在软件设计中完成相应的逻辑。 无论怎样，针对辅助开关而设计的控制器都要完成以下的逻辑功能。 1）辅助开关的提前开通功能。所谓辅助开关的提前开通是指当需要给某个主开关 创造零电压开通条件时，因为，该主开关的开通信号要比它对应的桥臂上的另一个主 开关的关断信号延迟一个死区时间，所以，辅助开关要在另一个主开关的关断信号到 来之前开通，以便使得母线电压能够加在谐振电感的两端，给谐振电感上预置能量， 当要关断的主开关关断之后，要开通的主开关没有开通之前的这段时间（死区时间） 内，电感和并接在主开关功率器件上的电容进行谐振。 2）上面已经指出，一旦谐振电感和电容确定之后，对应于逆变桥三相桥臂的每组 两个辅助开关的开通时间是固定的。所以，辅助开关控制器还要完成辅助开关在开通 后的一定时间内再关断功能。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页11 3.33.3 开关功率器件驱动电路的设计开关功率器件驱动电路的设计 驱动电路是控制电路与主电路的接口，在大功率变频器的设计中，由于开关功率 器件容量较大，因此，需要一定的驱动功率，而且，由于主电路中干扰信号很强，对 驱动电路抗干扰和隔离噪声的能力也有较高的要求。对 IGBT 驱动电路的一般要求如下。 1）关于栅极驱动电压 IGBT 开通时，正向栅极电压的值应足以使 IGBT 完全饱 和，并使通态损耗减至最小，同时，也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任 何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在 1220V 之间。当栅极电压为零时，IGBT 处于断态。但是，为了保证 IGBT 在集电极发射极电压上出现 dv/dt 噪声时仍保持关 断，必须在栅极上施加一个反向偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应 该在5V15V 之间。 2）栅极串联电阻（Rg） 选择适当的栅极串联电阻对 IGBT 栅极驱动相当重要。 IGBT 的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此，栅极电阻值将对 IGBT 的 动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关 时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt 带 来的误导通） ，但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极发射极电 容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。 3）栅极驱动功率 IGBT 的开关要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动 负、正偏置电压的差值，栅极总电荷和工作频率的影响。栅极电源的最大 GE V G Q s f 峰值电流 IGPK 为 g GE GRE R V I 栅极电源的平均功率为 AV P sCGEV fQVP 另外，在大功率变频器 IGBT 驱动电路的设计中，还应该注意以下几个方面的问题： 1）布线必须将驱动器的输出级和 IGBT 之间的寄生电感减至最低。这相当于将驱 动器和 IGBT 之间连线所包围的环路面积减至最小。为此，一般情况下，将把驱动电路 直接放置在大功率的开关功率器件上。 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页12 2）必须正确放置栅极驱动板和屏蔽驱动电路，以防止功率电路和控制电路之间的 电感耦合。 3）栅极箝位保护电路也必须按低电感布线，并尽量放置于 IGBT 模块的栅极发 射极控制端子附近。 4）由于 IGBT 的开通和关断会使相互电位改变，PCB 板的线条之间不宜太过于接近。 过高的 dv/dt 会由寄生电容耦合噪声，假如在布线时无法避免线条交叉或平行，必须 采用屏蔽层以作保护。 5）对于逆变桥上桥臂的功率器件栅极驱动电路之间，下桥臂的栅极驱动电路之间 和控制电路之间的寄生电容可产生耦合噪声的问题，必须进行适当的测量，减低这些 寄生电容。 6）假如使用光耦合器用作隔离高边栅极驱动信号，其最小共模抑制比必须为 10V/s。 结束语结束语 通过几次的课程设计，我对它设计有了一定的了解和把握。对于这次课程设计， 并没有给我们限定于一个死区间内，而是让我们自己选题，不仅让我们有应用所学的 闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺 + 第 页 共 17 页13 机会，而且通过大量的上网查阅各种信息资料使我的眼界面有了很大范围的突破。我 们做课程设计应该把掌握的知识整合为一体，首先我们应该先大量查阅有关知识，进 而有自己的想法和布局，这样才会有一条明确的设计思路。当然在开始的时候面对自 己网罗的杂乱的信息我也不知所措过，不知道究竟该如何将自己的思路表达出来，再 向一些学长和同学请教之后渐渐地整理出一条清晰的脉络，使我的设计得以继续进行。 在收集资料时，我还着重了解了谐振电路和电压转换电路。对于一些课堂上所讲 授的内容有了更深一部的体会，知道了很多理论知识在实际中的应用，更加深刻的体 会到了电力电子技术在实际中的意义，知道了作为一名学生我的实际应用是那么的欠 佳。经过一些困难但最终还是完成了这次课程设计，我对自己的能力还是充满了认可 和肯定。我的所得已远远的超过了这一打纸上的设计。我更多的是体会了独立的成就 感和合作的喜悦感。通过这次课程设计，我更深切的体会到了脚踏实地的重要，体会 到了互帮互助的重要。我也相信只要