（电力电子与电力传动专业论文）基于svpwm三相并联谐振直流环节逆变器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s l l r a c t s o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u e i so n eo fh o t t o p i c si nt h ep o w e re l e c t r o n i c sr e s e a r c hf i e l d ；i ti s t h ek e y t e c h n i q u ei ni m p r o v i n gp o w e rd e n s i t y d i g i t a lc o n t r o ls c h e m eh a v em a n ya d v a n t a g e s ， s n c ha si m p r o v i n gt h ea n t i - i n f e r e n c e ，h i g hi n t e g r a t i o n ，f l e x i b l em o d i f i c a t i o no fc o n t r o ls c h e m e a n ds oo n t h ec o m b i n a t i o n o f s o f t - s w i t c h i n ga n dd i g i t a lc o n t r o lc a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e o f p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n tg r e a t l y l o wv o l u m e ，h i g hp o w e rd e n s i t y , e x c e l l e n t p e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c ya r et h ed e v e l o p m e n t t r e n d so f p o w e rc o n v e r t e r s t h r e e p h a s e p a r a l l e l r e s o n a n td cl i n k i n v e r t e r ( p r d c l i ) b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0c o n t r o ls y s t e mi s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r an o v e l t h r e e - p h a s ep a r a l l e l r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e ri s d i s c u s s e d ，i t so p e r a t i n g p r i n c i p l ea n dc o n t r o ls c h e m eo fp r d c l ia r ee x p l a i n e di nd e t a i l s t h i sp a p e ra n a l y z e st h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o fs o f t s w i t c h i n g ，a n d i n t r o d u c e ss e v e r a l t y p i c a l d c a c s o f t - s w i t c h i n g i n v e r t e r s i nc h a p t e ri i i ，t h ep ir e g u l a t o rp a r a m e t e r so ft w op h a s er o t a t i n g c o o r d i n a t ed , qa r ed e s i g n e d ，i no r d e rt oc o n t r o lt h eo u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ew i t hn oe r r o l t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h es y s t e ma r eb u i l t ；t h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o ls c h e m ei s v e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s ap r o t o t y p eo fp r d c l ih a sb e e nm a d e ，i t sd e s i g ng u i d e l i n e so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sg i v e n t h es o f t - s w i t c h i n gp r o c e s sa n dc o n t r o ls c h e m ea r ev e r i f i e d b yt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep r o p o s e dc i r c u i tc a n i m p l e m e n t s o f ts w i t c h i n go f t h r e e - p h a s ei n v e r t e r ；( 晷d i g i t a lc o n t r o lc a ns i m p l i f yt h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n d i m p r o v es y s t e mi n t e g r a t i o n c o n c l u s i o na n d 他f e l - e n c 零f o rf u r t h e rr e s e a r c ha r cg i v e ni nt h ee n di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ： p a r a l l e lr e s o n a n td cl i n k ( p r d c l ) ，t h r e e - p h a s e i n v e r t e r , s o f t - s w i t c h i n g , d i g i t a lc o n t r o l ，s v p w m h 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 电力电子技术概述川m 1 电力电子学( p o w e r e l e c t r o n i c s ) ，在工程应用中常被称之为电力电子技术，是电力 技术领域中的电子学，它以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容，是 门与电子、控制和电力紧密相关的边缘学科。随着技术的进步和学科的交叉，其内涌 和外延仍在不断的发展。电力电子技术包括电力电子器佴：、变换电路和控制电路i 个部 分，其中以电力电子器件为基础和核心。 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子器件( 又称开关器件) 的发展一直是电力电子技术发展的先导，现在很难 想象，用不控功率器件( 如功率二极管) 及半控型器件( 如早j 蝈的晶闸管，s c r ) 能组 建出性能优良、可靠性高、经济高效的现代电力电子装置。目前，传统的s c r 因关断 控制复杂、开关频率低、相控方式适用面窄且严重污染公共电网等缺陷f 在迅速地被新 兴的全控型器件所取代。新型的电力电子器件都在朝着进一步改善开关特性、导通压降 低、丌关频率高、电压电流耐量高、门极驱动功率小以及智能化模块封装的方向发展。 下面就目前已经产业化的几种全控型器件的发展作些概述： l 、g t of g a t e t u r n o f f t h y r i s t o r ) g t o 是具备自关断能力的晶闸管具有耐压高、电流大、浪涌能力强、可自关断、 工作频率较高、造价便宜等优点。目前，同本已研制出容量为6 0 0 0 a 6 0 0 0 v ，开关频率 可达l 2k h z 的g t o 。0 1 0 目前在高压、大容量电力变换领域仍占有主导地位，“泛 用于大容量( 可达8 0 m w ) 的轧钢调速系统及机车牵引等大功率场合。但g 1 1 0 存在门 极增益低、驱动功率大、控制复杂等严重缺点，因此增大输入阻抗成为成为当前g t o 发展的主要方向。 2 、g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) g t r 是一种三层结构的电流型双极性电力电子器件，具有通态压降低、丌关频率高 等优点。但g t r 电流、电压耐曩之间的内在矛盾及二次击穿现象限制了其进一步的发 展。目前g t r 的容量可达4 0 0 a 1 2 0 0 v ，r 关频率可达5k h z 。g t r 的一般应用于电压 在4 0 0 v 以下的中小功率电力变换器。 3 、p m o s f e t ( p o w e r m o s f e t ) p m o s f e t 是一种多数载流子导电的单极性电力电子器件。其优势在于：多子导电， 无少子储能效应，因而开关时间短，典型值为2 0 n s ，开关频率可达1m h z ：栅源输入 阻抗高，属于电压型器件，驱动方便；器件电流具有负的温度系数，无二次击穿现象， 易于并联使用。略现不足的是p m o s f e t 的导通压降较高，丽月通态电阻随着器件耐压 和温度的升高而增加研制高耐压、低导通压降的p m o s f e t 比较困难。目前p m o s f e t 的容量可达8 0 a 1 5 0 a 1 0 0 0 v ，并且正在以v d m o s f e t 的结构形式朝着高爪、大功率 华中科技大学硕士学位论文 = = z = = = = ；目= t = _ 口_ 目= 目i 目= _ ；一一 的方向发展a p m o s f e t 广泛应用于高频、小功率、低压的开关电源、日用电器( 包括 节能灯、压缩机、便携式电器等) 、小容量工业传动装置及汽车传导装置中。另外，因 其体积小、价格低、使用方便，p m o s f e t 也是为研究新型电力变换器电路或控制方案 而制作小容量样机时经常选用的器件。 4 、i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i r o l a rt r a n s i t o r ) i g b t 综合了双极性g t r 导通压降低、阻断电压高、电流容量大以及单极性 p m o s f e t 驱动功率小、开关频率高、热稳定好的优点，目前已广泛应用于5 0 0 k w 以 下的中等功率变换器，如逆变器、高频整流器、直流稳压电源以及u p s 系统中。i g b t 的单管容量可达4 0 0 a 6 0 0 1 2 0 0 v 1 8 0 0 v ，开关频率可达2 0 kh z ，通态压降可降至 1 5 v 。大容量、高频化是i g b t 发展的主要方向。 5 、s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) 与s i t h ( s t a t i ci n d u c t i o n t h y r i s t o r ) s i t 是一种类似p m o s f e t 的多子导电的大功率高频器件，但具有非饱和输出特性， 主要工作在放大状态。现以商品化的s i t 截止频率可达3 0 5 0m h z ，耗散功率可达几 千瓦，电流达3 0 0 a ，电压达1 5 0 0 v 。s i t 器件适用于大功率信号放大领域( 高音质音频 放大器及电视发射机等) ，具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好，抗辐 射能力强等优点。 s i t h 又称场控晶闸管，属电压型双极性器件。s i t 器件具有很高的通流能力，导 通压降低，酬d f 及a u a t 耐量大，且驱动功率小，开关频率高，高温特性好。国外s i t h 器件的容量己达4 0 0 a 4 5 0 0 v ，并有2 2 0 0 a 4 5 0 0 v 的样品，工作频率达1 0 0 k h z 。s i t h 器件有望在大电流开关设备及高压直流输电系统等场合取代g t o 或s c r ，但其制造工 艺比较复杂。 还值得提出是器件朝着模块化、集成化的方向发展，近年来出现的各种功率集成电 路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t e d ) 就是这种趋势的体现。p i c 实现了集成电路功率化、 功率电路集成化，使功率和信息集成在一起，形成一个整体，功能上具有逻辑、控制、 保护、传感、检测、自诊断等功能。 1 i 2 电力变换器的分类 电力变换器按其功能可分为下列几种类型： 1 、a c d c 变换器又称整流器，用于将交流电变换为直流电。传统的整流器采用 晶闸管相控技术，利用电网电压进行换相，控制简单、效率高，但具有滞后的功率因数， 且输入电流中的低次谐波含量较高，对电网污染大。目前，全控器件利用p f c ( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) 技术，使整流器的功率因数接近为1 ，输入电流接近正弦，形成一种 “绿色”用电，对电网基本无污染。 2 、d c d c 变换器能将种直流电压( 电流) 幅值和极性加以改变的变换器。p w m d c d c 变换器又称为斩波器，主要用在直流电机驱动和开关电源( s m p s ) 中。近年来发 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = ；= = ；目= 口= = = 自= = = = ；= ；= = ；= = = 一 展的谐振和准谐振d c d c 变换器能显著减小功率器件的开关损耗和开关应力，大大提 高了开关电源的开关频率和功率密度，适应了开关电源向小型化、高效率和低噪声方向 发展的要求。 3 、d c a c 交换器又称逆变器，用于将直流电变换为交流电。根据受控输出量的 不同，可分为电压型和电流型两种；根据输出量的相数可分为单相和三相：根据输出电 压和频率的变化可分为恒压恒频( c v c f ) 和调压调频( v v v f ) 两类。正弦脉宽调制( s p w m ) 技术是目前应用最广泛、最成熟的调制方式。由d i v a n 教授最先提出的谐振d c 环节逆 变器引起了世界各国电力电子研究人员的极大重视，十年来，新型电路拓扑在不断出现， 促进了谐振叱环节逆变器的研究与应用。高频链( h i g hf r e q u e n c yl i n k ) 逆变技术 也一直是人们研究的热点。逆变器主要应用于交流调速、u p s 电源、感应加热等工业场 合和家用电器中。 4 、a c a c 变换器用于将一种规格的交流电变换为另一种规格的交流电。输入和 输出频率都保持不变的称为交流调压器，频率发生变化的称为周波变换器或变频器。 a c a c 变换器目前仍以相控方式为主，主要用于调光、调温及低速大容量的交流调速 系统。基于p w m 控制方式的矩阵变换器，能在保持功率因数为l 的情况下直接进行大 频率范围的交流电能变换，但其控制相当复杂。 1 1 3 控制技术和手段的发展讲1 以往电力电子变换器多采用模拟p i d 控制，但主要特点是温漂大，调整不方便。随 着1 6 位和3 2 位微机，特别是高性能d s p 的出现控制技术朝着全数字化、智能化及网 络化的方向发展。自适应控制、模糊控制、智能控制，多变量控制和分布控制是变换器 控制方式发展的主要方向。下面就简要地阐述这几种控制方式的主要特点。 1 、p i d 控制 p i d 控制以其简单、参数易于整定等特点，广泛应用于工程实践之中。早期变换器 的控制，多为模拟p i d 控制。模拟控制电路使得控制系统的可靠性下降，调试复杂，不 易于整定，d s p 的出现，这个问题迅 速解决，如今各种补偿措施已经方便 地应用于变换器的数字p i d 控制之 中，电压、电流控制的引入，使得数 字pid 控制的效果得以改善，针对 传统数字p i d 控制存在的一些问题， 智能控制的思路也引入p i d 控制之 中，并在变换器的控制中得以应用； 同时，其它控制策略也不断地引入其 中，使古老的p i d 控制仍充满活力。 图1 1逆变电源系统 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = ；= ；= ；= = 目_ = _ _ 目t = = = = = = = = 2 、无差怕控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 无差拍控制是一种基于微机实现的p w m 方案。它根据变换电路系统的状态方程 和输出反馈信号来计算变换电路的下一个采样周期的脉冲宽度。在图l 所示的逆变电源 中，可将负载等效为一电流源，其值i 。为任意值。选择输出电压v 、电感电流i ，为状态 变量，系统的状态方程为： 歧：a x + b u 【y = c x 式中x = i vi l 】：y = v ：u = f ui a j r 将式( 1 ) 离散化得：v ( k + 1 ) = a i l v ( k ) + a 1 2 i l ( k ) + a 2 1 u ( k ) + a 2 2 i ( k ) ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 说明，输出电压的下下一次采样值是本次输出电压、电感电流、逆变桥输出电 压以及负载电流采样的线性组合。令输出电压v ( k + 1 ) 与其指令参考值v 。，( k + i ) 相等，就 得到无差拍控制率。u ( k )是由逆变电源直流母线电压e 和脉冲宽度_ r ( k ) 决定的，可 以由下式计算脉冲宽度t ( k ) ： t ( k ) = u ( k ) t e v 耐( k + 1 ) - a l l v ( k ) 一a 1 2 i l ( k ) 一b 1 2 i o ( k ) 扣，e b l i ( 1 3 ) 此算法中，每个采样周期间隔发出的控制量t ( k ) 是根据当前时刻的状态向量和下一采样 时刻的参考正弦值计算出来的，由负载扰动或非线性负载引起的输出电压偏差可在一个 采样周期内得到修正。 无差拍控制有着非常快的暂态响应，当负载突然变化时，输出能够很好地跟踪给 定值：波形的畸变率小，无差拍控制能够得到较好的输出波形品质。 3 、滑模变结构控制( s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r 0 1 ) 滑模变结构控制系统最大的优点是其对参数变化及外部干扰的不敏感性，即强鲁 棒性，加上其固有的开关特性，特别适用于电力电子的闭环控制之中。滑模控制相对于 传统的控制方案的主要优势在于所具有的参变量的鲁棒性，它对系统参变量的扰动和负 载的变化具有不敏感性，从而能带来与理想状态相同的动态和稳态响应。 滑模控制有着明显的优点：快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效果不佳、 理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。 4 、模糊控制( f u z z y c o n t r 0 1 ) 复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的 精确性总是存在着矛盾。而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效地对复杂事 物做出判断和处理，近年来，它在电力电子领域中的应用引起了人们的重视。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = 自自t ； = = e 目；= ；= = = = ；= = ；一t 对于高性能的电力电子变换器的设计，模糊控制器有着以下优点： 模糊控制器的设计过程中不需 要被控对象的精确数学模型，具有较强 的鲁棒性和自适应性；查找模糊控制 表只需占用处理器很少的时间，因而可 以采用较高采样率来补偿模糊规则和 实际经验的偏差，如图1 2 所示，带有 模糊补偿器的逆变电源系统框图。它将 模糊控制与无差拍控制相结合，模糊控 制用来补偿由于非线性负载导致的电 压跌落。 图1 2 带有模糊补偿器的逆变电源控制框图 模糊控制属于智能控制的范畴。与传统的控制方式相比。智能控制最大的好处是不 依赖控制对象的数学模型；模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人的模糊信息处 理能力。模糊逻辑、神经网络和专家系统出现融合的趋势，展示了模糊逻辑、神经网络 和专家系统相辅相成、优势互补的强大生命力。 5 、重复控制( r e p e t t i v e c o n t r o i ) 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部 信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。重复控制的 主要目的是为了克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变。其基本思想是假定前一 周期出现的基波波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号 和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号 叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中将出现的重复性畸变。 图1 3 给出了常用的重复控制系统框图。其中r 为给定的跟踪信号，d 为扰动信号，p ( z ) 为控制对象。y 为实际输 出。周期延迟环节z “是 为了对重复性扰动在下 一周期控制作用中起超 前作用，即对控制器进行 超前相位补偿。补偿器 c ( z ) 的作用是提供相位 补偿和幅值补偿，以保证 图1 3 重复控制系统框图 控制系统的稳定性，并改善输出波形。 6 、自适应控制( a d a p t i v e c o n t r 0 1 ) 自适应控制的目标是使控制系统对过程参数的变化，以及对未建模部分的动态过程 不敏感，当过程动态变化时，自适应控制系统试图感受这一变化并实时地调节控制器参 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ；_ = = = l = = = 自= = ；= = ；= = = j 数或控制策略a 自适应控制系统主要有两大类，即：模型参考自适应系统和自校正控制 系统a 模型参考自适应系统是利用一个生成所期待响应的模型作为参考模型并将其包括 在控制策略中，利用实际系统与参考模型响应间的误差来修正控制器参数以便使实际系 统的响应收敛于所期待的响应；自校正控制的基本思想是将参数估计递推算法与各种不 同类型的控制算法结合起来，形成一个能自动校正控制器参数的实时的计算机控制系 统。在诸如对给定精确信号进行重复跟踪并消除开关器件产生的谐波等有源滤波以及 s p w m 发生器的控制方面，以内模原理及极点配置为主要特点的自校正控制器将具有潜 在的应用前景。目前，自适应控制在电力电子系统中的应用还十分初步，由于它对过程 参数的变化以及对未建模部分的动态过程不敏感、对动态过程变化的自适应性等特点， 必将越来越多地应用于电力电子系统的控制中。 1 2 软开关技术的发展概况2 1 1 2 2 m 5 1 软开关技术的基本思想是在常规p w m 变换器的拓扑基础上，附加一个谐振网络， 谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转换时，谐振网络工作使开 关管在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响p w m 技术的实现。从而 既保持了p w m 技术的特点，又实现了软开关技术，使软开关p w m 变换器成为目前最 具发展和应用前景的交换器。 1 2 1 软开关的特性 软开关技术( 包括零电压开通、零电流关断) 不仅要改善开关轨迹( 开关过程中电 压v ，和电流i ，的瞬时值轨迹) ，使开关器件工作安全可靠，而且要减小开关损耗而不是 转移开关损耗。图1 4 给出了硬开关与软开关之波形波形比较图，以供对比。软开关包 括软开通和软关断：软开通有零电流开 通和零电压开通两种：软关断有零电流 关断和零电压关断两种，可按照驱动信 号的时序来判断。最理想的软开通过程 为：零电压开通，在开关器件v ，降为 零后旌加驱动信号，于是电流i ，在建立 的过程中因端电压v ，为零，而无开通 损耗，p 堋= v t i t = 0 ；最理想的软关断 过程为：零电流关断，在开关管电流下 降时因开关管仍处于通态h = 0 、其电 压为零而无关断损耗，p o 口= v r i t = 0 ， 欺开关硬开美 珥 美新 、厂 l 1 厂 菠形 !， f 2 开通 3 厂 飞- 往形! ，l 圈1 4 硬开关和软开关波形之比 ，= 0 后再撤除驱动信号，由于电流早己为零也无开关损耗。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = z = = = ；t z ；l _ = ；t j ；t 自 = i _ = ；= = 一： 1 2 2 软开关的基本类型 目前软开关技术无一例外地利用了l c 谐振原理，在l c 元件谐振过程中使电压或 电流过零的时刻，开通或关断开关管，实现开关管的z v s 或z c s 过程。目前软开关技 术可大致分为如下几种类型： l 、全谐振型变换器，通常称之为谐振型变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 谐振型变换器是负载r 与l c 电路组成的负载谐振型变换器，在谐振型变换器中谐 振元件在整个开关周期中都一直工作，参与能量变换的全过程。其基本原理是通过谐振 网络与负载的谐振使经过开关器件的电流或电压被整形为正弦波，开关器件在电流或电 压的过零处开通或关断，实现软开关过程。这种变换器的工作状态与负载的关系很大， 对负载的变化很敏感，一般采用脉冲频率调制p f m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 而不是脉 宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调控输出电压和输出功率。 2 、准谐振变换器q r c s ( q u a s i - r e s o n a n t - c o n v e r t e r s ) 和多谐振变换器m r c s ( m u l t i r e s o n a n t c o n v e r t e r s ) 这种变换器的特点是谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程，准谐振变 换器分为零电流开关准谐振变换器z c sq r c s 和零电压开关准谐振变换器z v sq r c s 。 准谐振开关技术是在基本p w m 开 关上增加一些谐振元件将其改造为 谐振开关，实现软开关过程。根据 l 、c 与p w m 开关串并联方式的不 同，可分为准谐振零电流开关和准 谐振零电压开关，如图1 5 所示。 准谐振变换器一般采用脉冲频率调 笆s _ 卜l r 电流谐振式 曲电压谐振式 图1 5 谐振式软开关拓扑 制p f m 方法调控输出电压和输出功率。 3 、开关p w m 变换器( z e r o s w i t c h i n g p w m c o n v e r t e r s ) 零开关p w m 变换器分为零电压( 开通) 开关z v s - p w m 变换器和零电流( 关断) 开关z c s p w m 变换器。 a ) 零电压开关p w m ( z v s p w m ) 变换器综合 应用了零电压准谐振变换器 和p w m 变换器的原理，给 零电压准谐振开关单元内的 谐振电感并联一个辅助开 关，就得到零电压开关 p w m 变换器开关单元，如 c r s 1 s ， c r s 1 图1 5 ( a ) z v s p w m 开关单元( b ) z c s p w m 开关单元 图1 5 ( a ) 。辅助开关s 1 通过使谐振电感短路，周期性的消除电路谐振，使其只在开关转 7 华中科技大学硕士学位论文 # = ；。= = = _ = 自= = ；= _ ；= l 目e = = = = ；= ；= j ： 换瞬间产生谐振，为主开关创造零电压开关条件。定时控制辅助开关的开通和关断就能 实现恒频控制。用z v s - p w m 变换器开关单元替代p w m 变换器内的p w m 开关单元就 可获得常规的零电压p w m 变换器。 b ) 零电流开关p w m ( z c s - p w m ) 开关单元是零电压开关p w m 变换器开关单元 的对偶电路，它综合应用了零电流开关准谐振变换器和p w m 变换器的原理。如图1 5 f b l 所示，加入一个辅助开关与零电流开关准谐振开关单元内的谐振电容串联就得到零电流 开关p w m 变换器开关单元，它的作用是周期性的断开c r 以消除l f 和c r 间的谐振， 使其只在开关转换瞬间产生谐振，为功率开关创建零电流开关条件。 4 、零转换p w m 变换器( z e r o t r a n s i t i o nc o n v e r t e r s ) 如果将上述零开关p w m 变换器中谐振电感l r 及其辅助开关电路改为与主开关并 联，主开关通态时，l r 中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断”时启动辅助开关电 路形成主开关管的零压或零流条件，改变主开关通、断状态，开通或关断电路。这种 p w m 转换器称为零转换p w m 变换器，包括零电压转换( z v t ) 和零电流转换( z c t ) p w m 变换器。 a ) 零电压转换p w m 变换 器是给p w m 开关单元并上一 个谐振网络而获得的，如图 1 6 ( a ) 所示。其中并联谐振网络 由谐振电感l r 、辅助开关s l 和 二极管d 1 、谐振电容c r ( 包括 功率开关的输出电容和整流器 的结电容) 组成。因为谐振网络 与开关并联，所以孙仃p w m 变换器的电压和电流应力很小， 图1 6 ( a ) z v t - p w m 开关单元( b ) z c t p w m 开关 且晶体管和二极管都能获得软开关条件。z v t p w m 既克服了p w m 技术和谐振技术的 特点，又综合了它们的优点，因而被认为是最好的软开关方式。并能在较宽的电源电压 和负载变化范围内满足软开关条件。由于其电压、电流应力很小，能实现恒频运行，此 电路有一个缺点：辅助开关不在软开关条件下运行。 b ) 零电流转换p w m 变换器，如图1 6 ( b ) 所示。与零电压转换p w m 技术类似，利 用并联谐振网络可获得常规的零电流转换p w m 变换器。零电流转换p w m 技术是在不 增大功率晶体管和整流二极管的电压应力的情况下，实现了功率晶体管的零电流关断， 它的循环能量小，且可调节，很明显，不管电网电压和负载如何变化，储存在谐振网络 内的能量会自动调整，使其略高于建立z c s 条件所需能量。与z c t - p w m 类似，它的 整流二极管是硬开关。 5 、谐振型直流环节变换器r d c l c ( r e s o n a n t d cl i n kc o n v e r t e r ) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；目_ l = # ；j = t # = ；= = = t = = = = 谐振直流环技术是将零电压开关准谐振开关电路应用到三相a c d c 或d c a c 功率 转换电路。谐振型直流环节逆变器的特点是在直流母线与逆变器直流输入端之间加入一 个辅助l c 谐振回路，逆变器工作时启动l c 不断地谐振，使并联在直流母线上的电容 电压v 。周期性地变为零值，从而为后面的逆变桥的开关创造零电压开关条件。如图1 7 所示为典型的应用谐振直流环的三相d c a c 逆变器。 蚜 k l si 、 图i 7谐振直流环变换器及其等效电路 假设负载电感比l r 大的多，则一周期时间的谐振直流环的等效电路可用图7 1 f b ) 表 示。电流，。的值由每相电流和六个变换开关决定。图1 7 ( b ) 电路实际上是使用z v s 准谐 振开关的变换器，z v s 准谐振开关单元内l r 和c r 间的谐振，使s 两端的电压周期性地 过零，为六个变换开关创建z v s 状态，使开关损耗降低，并使变换器能工作在更高的 开关频率。谐振直流环技术的主要缺点是开关的电压电流应力大，变换器直流端的z v s 准谐振开关的作用是通过开关桥产生高频脉冲电压，因此开关电压应力是变换器的 2 2 5 倍。谐振直流环技术的另一个缺点是难于控制，所有的变换器开关需要与谐振直 流环同步动作，这样会降低在更高功率水平获得输入和输出波形的良好分辨率的能力。 本论文采用的就是这种电路拓扑，只是直流环节有所改变。 软开关技术不仅是提高功率开关器件开关频率的有效手段，而且可以吸收高频时 变换器中寄生电感、电容作为谐振元件，从而无需增加其他谐振元件，进一步减小变换 器的体积和大小，提高了功率密度。由于软开关技术通过谐振已将功率开关器件两端的 电压、电流波形整形为正弦波，电压电流的变化率始终小于l ，避免了感性元件或容性 元件通断瞬间大的电流、电压变化率d i d t 或d r d r 的冲击，减小了电磁干扰，并使变换 器的可靠性大大增强。但谐振元件电感、电容的引入，却使变换器的分析和设计变得较 为复杂，谐振电感、电压也给开关造成较大的应力，因而软开关技术和软开关变换器仍 处于发展和研究的阶段。软开关技术进一步完善和实用化，将为电力电子技术在新世纪 的发展打下坚实的基础。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容 软开关技术和数字化控制都是当前电力电子技术研究的热点，而将软开关技术和数 字化控制结合起来，应用到三相逆变器或三相电机的驱动中，从目前查阅的文献来看， 正处于研究的阶段。本文选取了一种三相并联谐振直流环节逆变器的拓扑结构为研究对 象，采用s v p w m 的数字化控制方案，进行了一些探讨性的工作。以t m s 3 2 0 f 2 4 0 型号 的d s p 为主控制系统，构建了一套三相并联谐振直流环节逆变器的实验平台。下面各 章节将分别对其工作原理、控制方案、p i 调节、仿真分析及控制系统硬件配置和软件实 现进行阐述和分析，并给出了实验结果及其分析。 本文的主要内容如下： 第一章介绍了电力电子技术的发展( 包括电力电子器件的发展、电力变换器的应 用、各种控制手段的改进) 和软开关技术的发展。 第二章着重阐述了三相并联谐振直流环节逆变器的基本工作原理，s v p w m 的基 本原理，及固定时间和变时间两种控制策略和简要分析了几种典型的d c a c 软开关电 路拓扑。 第三章详细介绍了三相坐标系转换为两相旋转d 、q 坐标下的p i 调节参数设计、 仿真数学模型的建立，电路参数的选取等，并通过仿真论证了其可行性。 第四章详细介绍了整个实验系统的数字化实现，包括主电路滤波电路、驱动电路 的设计、控制电路的硬件配置和软件