（电力电子与电力传动专业论文）大功率软开关pwm整流器技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：c o n v e n t i o n a lp w m r e c t i f i e rc i r c u i t s p o w e re l e c t r o n i cs w i t c h i n gd e v i c e t i l r n o nu n d e rh i g hv o l t a g e ，t u m - o f fu n d e rl a r g ec u r r e n t ，a n dt h u st h ee x i s t e n c e o fi a r g e 1 0 s s e s 1 0 wf r e q u e n c y , b i gs i z e ，a n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n do t h e rs e r l o u s s h o r t c o m i n g s i nt h i sp a p e r , az e r o c u r r e n ts o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y i su s e d ，a n daz e r o 。c u r r e n t s o 舡s w i t c h i n g10 0 k v ao ft h ep w m r e c t i f i e rp r o t o t y p ep r o j e c t s i sd e v e l o p e d t h e t e c l m o l o g yb yi n c r e a s i n gt h ea u x i l i a r ys w i t c h ，t h eu s e o fr e s o n a t i n gb yi n d u c t a n c ea n d c a p a c i t a n c e ，i no r d e rt oc r e a t ez e r o c u r r e n ts w i t c h i n g c o n d i t i o n sf o rs w i t c h i n gd e v i c e s ， m a k et l l ed “i c ei nt h ep r o c e s so fs w i t c h i n g , t h es w i t c h i n gl o s s e si sr e d u c e d ，c u r r e n ta n d v o l t a g et ot h er a t eo fc h a n g ei sr e d u c e d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e l sr e d u c c d e 毹c t i v e l y a n dc a l lw o r ka th i g h e ri n v e r t e rf r e q u e n c y , r e d u c i n g t h eo u t p u tf i l t e ri n d u c t o r , c a p a c i t o rs i z e ，t h e r e b yr e d u c i n gt h es i z eo ft h e e n t i r ed e v i c et ot m p r o v ep e n f o n t l a n c e t 1 1 i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e d t h eh i g h - f r e q u e n c ys o f t 。s w i t c h i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dt h es t a t u sq u o ，f o l l o w e db y a na n a l y s i so faz c ts o f t ，s w i t c h i n g - b a s e d p w mr e c t i f i e ro ft h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n db a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e a n dt h e nt h e 10 0 k v az e r o c u r r e n ts o f t - s w i t c h i n gp w mt h r e e p h a s e r e c t i f i e rc i r c u i te n g m e e r m g p r o t o 帅eo ft h em a i ns t r u c t u r e ，p a r a m e t e rd e s i g na n dc o n t r o ls y s t e mh 枷w a r c a i l d s o f h v a r ed e s i g na r ee l a b o r a t e d c o n t r o lp a r tu s e di nt i s3 2 - b i th i g h 。p e r f o r m a n c ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12a s t h ec o r eo ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o l s o f i v e a r eu s i n gcp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t oi m p l e m e n tt h ei d e ao fm o d u l a r d e s i g n ，t o e n h a n c et h eg e n e r a l i t ya n dt r a n s p o r t a b i l i t yo fs o f t w a r e f i n a l l v t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e 10 0 k v ae n g i n e e r i n gd a t aa n dw a v e 蛔ma r e a 1 1 a l y z e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e c t i f i e rc a n a c h i e v ez e r o 。c u r r e n ts w i t c h i n g b vaw i d er 觚g eo fl o a d ，a n ds w i t c h i n gl o s ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，f i n a l l ya c o m p a r a t i v e r e s e a r c ho fe f f i c i e n c yi sg i v e n k e y w o r d s ：p w mc o n v e r t o r ；z c ts o f t s w i t c h i n g ；r e s o n a n c e ；s w i t c h i n g l o s s c l a s s n 0 ：t m 4 6 1 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：翌天壳 签字r 期：_ 习年7 月口日 6 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 乇云如 导师签名：仓毒斤瓦 签字日期：锄修7 年7n f 9 日 签字日期：切口弓年7 月f ；日 致谢 本论文的工作是在我的导师金新民教授的悉心指导下完成的，金老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来金 老师对我的关心和指导。 童亦斌老师和刘京斗老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，周飞、唐芬、谢路耀、黄杏、张禄等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 绪论 近年来，随着现代电力电子朝着高频化、模块化、智能化和集成化方向的发 展，新型半导体功率器件的开关频率不断提高。开关频率的提高可以使输出电压、 电流的波形更接近于正弦波，这有利于减小输出谐波，从而减小了变频器对电网 的污染和滤波器的尺寸。而在提高开关频率的同时，会给电路造成严重的噪声污 染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰，软开关技术的出现解决了这一系列问题。 软开关技术指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零，或关断前电流 先降为零，实现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低 了开关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。 自2 0 世纪8 0 年代初美国v p e c ( 弗吉尼亚电力电子中心) 李泽元教授提出谐 振性软开关的概念，到8 0 年代后期美国威斯康星大学的d m d i v a n 教授提出谐振 直流环节逆变器和极谐振逆变器技术，在这期间，研究人员围绕这两种基本拓扑 相继提出了许多关于软开关逆变器的拓扑结构【i 】。 软开关电源是相对于硬开关电源来说的。人们通常所说的开关电源，指的是 硬开关电源。这种电源，功率器件直接与电压源或电流源相连，开关电压和电流 波形的改变会引起严重的开关损耗和电磁干扰问题，另外由于功率器件存在寄生 电容和杂散电感，线路上也存在分布电感，在开关瞬间会引起很高的电压、电流 尖峰。利用软开关则可以很好的解决这一问题，软开关的拓扑相当于在传统硬开 关逆变器拓扑中增加一个高频谐振网络，根据网络拓扑结构的不同可以获得不同 的电压、电流波形，因而得到不同拓扑分类。从谐振发生的位置来看，基本分为 两类，一类为谐振发生在直流母线上，通过谐振使直流母线上的电压和电流通过 零点，给逆变桥集中提供一个零电压开关或零电流开关条件。另一类是谐振发生 在逆变桥臂的每一个有源开关两端，通过谐振使得在每个开关需要切换的时候， 它两端的电压或电流过零剧n ，引。 谐振型软开关技术自8 0 年代以来，受到了国际传动领域的广泛关注，它与传 统的硬丌关电路相比，有许多明显的优势，但谐振型软开关技术远未达到成熟的 程度，有许多问题值得进一步的研究。比如：如何通过比较简单的拓扑结构实现 逆变器的软丌关，同时并不增加丌关器件的电压和电流应力；什么样的控制方式 更适合于软丌关逆变器；怎样设计高频谐振电感更合理，更有效，怎样制作在大 北京交通人学硕士学位论文 功率、高频率下的电容。 1 2 软开关逆变器的发展概况 1 2 1软开关逆变器的提出 在逆变电路中，常规的硬开关逆变器会有一系列的有害影响。这些有害影响 可以总结如下： ( 1 ) 开关损耗。开关管在开通和关断瞬间产生的电压和电流存在叠加部分， 使器件产生开通损耗和关断损耗，而且这种功率损耗随开关频率的增加而加大。 较大的损耗还会给算热带来很重的负担。 ( 2 ) 器件应力。由于线路中存在分布电感，开关器件中存在杂散电感和电容， 开通和关断瞬间产生的电压尖峰和电流尖峰使开关器件的波形急剧突变，开关器 件的电流或电压运行轨迹可能超出安全工作区，影响开关的可靠运行。 ( 3 ) 电磁干扰问题。开关器件产生的d u d t 和d i d t 过高，将产生严重的电磁 干扰。 ( 4 ) 二极管的反向恢复问题。二极管由导通变为截止时存在反向恢复时间， 在此期间内，二极管仍处于导通状态，若与其串联的开关器件此时立即开通，容 易造成直流电源瞬间短路。产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管的 损耗急剧加大，重则致使其损坏。 ( 5 ) 对电机绝缘的影响。在定子线圈绝缘层上的高d u d t 可能会产生很大的 位移电流( c d u d t ) ，导致电机绝缘降低【4 j 。 以上所说的硬丌关的缺点可以在软开关逆变器中被实际的消除。软开关技术 允许逆变器工作在高开关频率下，较高的开关频率可以带来很多好处，如输出波 形更加近似正弦波；输出的低次谐波减少：低频噪声进一步减小等等。 软开关从一提出就受到人们的关注，并迅速得到了很大的发展。所谓“软开关” 是相对于“硬丌关”来说的。在常规的硬丌关p w m 逆变器中，电压和电流的重叠产 生了很大的开关损耗，软开关的主要思想是要阻止或减小这种重叠以使丌关损耗 达到最小。软开关过程是通过电感和电容的谐振，使开关器件中电流( 或两端电压) 按币弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断，当电压下降到零时，使器件 导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的丌 关损耗理沦上为零。而另外一种对软开关和硬丌关的描述则是采用了渐进的比较 方法，即认为由于现代功率半导体器件的丌关转换过渡时间( 丌通瞬间和天断瞬问) 2 绪论 在毫秒到纳秒级，因此逆变器电路中的寄生电感和寄生电容在开关过渡过程中总 是要起作用。当逆变器开关的过渡过程只受外部的寄生成分影响时，这种开关在 使用过程中被定义为硬开关。借助于附加的电感和电容来延缓开通和关断过程， 这就是缓冲电路的作用。当丌关在过渡过程中为了减小开关的应力而使储存的电 磁能量增大，从而造成在每一个开关过渡过程中储存的能量在下一个循环中不能 比较经济地消耗掉，就产生了馈能型缓冲电路技术【5 】。当储存在电磁元件中的能量 进一步增加的时候，可以明显地观察到谐振现象，就导致了谐振变换器技术的产 生。将谐振限制在仅在开关周期某一区间内工作就产生了目前变换器件中用的大 部分软开关技术。 ： 主c l ：、 。 、0 。 一。 l p l o 嚣( 。n ) p l o 嚣( o 产：0 ， 0 i ， 图1 1 零电流开关 图1 2 零电压开犬 f i gi 2z e r ov o l t a g es w i t c h i n g 如图1 1 、1 2 所示，为零电流关断和零电压导通的电压、电流波形及损耗。 在软开关工作状态下，开通时电压的下降先于电流的上升( 零电压丌通) ，关断时电 流的下降先于电压的上升( 零电流关断) ，消除了电压和电流的交叠，使得开关损耗 和开关噪声都大大降低。 1 2 2软开关逆变器的分类 3 北京交通大学硕士学位论文 从8 0 年代美国的d i v a n 博士提出谐振直流环节逆变器和极谐振逆变器技术以 来，人们陆续提出了许多关于逆变器软开关的拓扑结构。逆变器的分类可以用图 1 3 表示。从图可看出，逆变器主要可分为硬开关和软开关两类。在硬开关逆变器 中功率器件直接和电流源或电压源相连，功率器件的开通和关断引起电压和电流 的改变，产生很大的开关损耗和电磁干扰( e m i ) 问题，不利于效率的提高。此外功 率器件存在寄生电容和杂散电感，在开关瞬间会出现很高的电压电流尖峰。 图1 3 逆变器分类 f i 9 1 3i n v e r t e rc a t e g o r i e s 1 2 3软开关逆变器的发展 电力电子技术从5 0 年代中期诞生后，经过5 0 多年的发展，已经形成较为完 整的学科体系和理论，成为相对独立的学科门类，近年来，电力电子学更是获得 了突飞猛进的发展。而软开关逆变技术的研究则是目前电力电子技术领域中最活 跃的一个研究方向。对软开关理论的深入研究，以及软丌关技术的广泛运用，使 电力电子变换器的设计出现了革命性的变化。软丌关逆变电路这个概念由美困的 d i v a n 博士在1 9 8 6 年提出，这个概念从一出现就显示出了蓬勃的生命力，受到了 各国专家学者的充分关注。与常规的硬开关逆变器相比，谐振软开关逆变器具有 许多明显的优势，如低噪声、低电磁干扰、输出波形质量高、不需缓冲电路、散 热器尺寸大大减小、开关器件可在高效率和高可靠性下工作等。 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着 逆变电源的发展。最初的逆变电源采用品闸管( s c r ) 作为逆变器的丌关器件，称为 4 绪论 可控硅逆变电源。由于s c r 是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换 流电路来强迫关断s c r ，s c r 的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。随着半 导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力 晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) ，绝缘栅双极 型晶体管( i g b t ) 等等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。 由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐 波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得 以提高。 几十年来，以研发并得到应用的各种软开关电源见表1 1 【6 1 。 表1 1 软开关技术发展过程 时间( 2 0 世纪)名称 应用 7 0 年代串联或并联谐振技术半桥或全桥变换器 8 0 年代初有源箝位z v s 技术单端变换器 8 0 年代中准谐振或多谐振技术 单端或桥式变换器 8 0 年代末z c s p w m 或z v s p w m 技术单端或桥式变换器 8 0 年代末移相全桥z v s p w m 技术全桥变换器2 5 0 w 以上 9 0 年代初z c t - p w m 或z v t - p w m 技术单端或桥式变换器 9 0 年代广义软开关p w m 技术 1 2 4谐振变换器的发展概况 谐振变换器是使用很广泛的一类软丌关，从1 9 8 4 年美国v p e c 的李泽元教授 等人提出谐振开关的概念，用谐振丌关单元来代管基本p w m 变换器巾的丌关单 元，形成准谐振、多谐振开关变换器。这类变换器的特点是谐振元器件参与能量 变换的某一个阶段，不是全程参与。 5 北京交通大学硕士学位论文 在这类变换器中，通过谐振使开关器件上的电流或电压按准j 下弦规律变化， 从而创造出零电流或零电压开关条件。准谐振变换器可分为零电压开关准谐振变 换器( z v sq r c ) 、零电流开关准谐振变换器( z c sq r c ) 。多谐振变换器一般实现零 电压开关( z v sm r c ) 。图1 3 给出了三种谐振软开关电路的基本开关单元。其中， s 为开关器件，d 为二极管，l r 和c r 分别为谐振电感和谐振电容，l 为储能电感。 s t l ( a ) z c sq r c ( b ) z v sq r c ( c ) z v sm r c 图1 43 种谐振软开关电路 f i g1 4t h r e ek i n d so fr e s o n a n ts o f t - s w i t c h i n gc i r c u i t 从谐振能量发生的位置来看，基本上可以分为两大类：第一是谐振发生在直 流母线上，通过谐振使得直流母线上的电压或电流过零点，给逆变桥集中提供一 个零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) 条件，例如，谐振直流环节逆变器r d c l i ， 有源钳位谐振直流环节逆变器a c r d c l i ，准谐振直流环节逆变器q r d c l i 等；第 二是谐振发生在逆变桥臂的每一个有源丌关两端，通过谐振使得在每个开关需要 切换的时候，它两端的电压或电流过零点。例如辅助谐振转换极逆变器a r c p i ， 软开关过渡p w m 技术逆变器z v tp w m 和z c tp w m 等。 ( 1 ) 直流环节谐振型逆变器( r d c l i ) 直流环节谐振型逆变器足通过在直流环节与逆变桥之间插入一个谐振槽来实 现软丌关的。通过谐振，电容电压v o 周期性返f l 零点，为后面的逆变桥创造零电 6 绪论 压开关间隔。r d c l i 的电路拓扑结构及控制策略在所有直流环节谐振型逆变器中 是最简单的，仅需增加一个电感和一个电容，就可使原来的p w m 电压型硬开关逆 变器的开关频率提高一个数量级，并进而带来一系列好处。但r d c l i 也有个两明 显的缺点：直流环节谐振型逆变器开关器件的电压应力大，谐振电压峰值高；电 压过零点与逆变器开关策略难以同步，使逆变器输出有大量高次谐波。围绕着如 何克服这两个缺点，提出了大量不同拓扑结构的直流环节谐振型逆变电路：如改 进型直流环节谐振型逆变器( i r d c l i ) ，有源钳位谐振直流环节逆变器( a c r l i ) ，直 流环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 等。 ( 2 ) 极谐振型逆变器( p c i ) 极谐振型逆变器的特点是辅助谐振电路从逆变桥之前移到了逆变桥之后。对 于三相逆变器来说，辅助谐振电路由原来的一组变为三组，即每一桥臂均配有一 组，通过辅助谐振电路，使每一桥臂中点的电压产生谐振，通过谐振为开关器件 创造软开关通断条件。极谐振型逆变器包括准谐振电流模式逆变器( q r c m i ) ，辅 助谐振变换极逆变器( a r c p i ) 辅助二极管变换极逆变器( a d r f i ) 。这类逆变器与d c 环节谐振型逆变器比较，极谐振型逆变器的优点是：逆变桥各相独立，不存在软 开关操作与逆变器开关策略难以同步的问题，便于采用任一种常规的p w m 调制策 略进行输出电压控制；不增加丌关器件的电压应力。但是极谐振型逆变器的缺点 是：大多数均使开关器件的电流应力大大增加；需要多组辅助谐振电路，特别是 多个电感，造成逆变器体积、重量增加、效率降低，控制复杂2 1 。 谐振型软开关逆变电路自1 9 8 6 年以来，受到了国际传动界的广泛关注，它与 传统的硬开关逆变电路相比，虽然有许多明显的优势，但软开关逆变器目前还远 未达到成熟的程度，在实际中也还未像软开关d c d cp w m 变换器那样得到广泛 应用，还有许多问题需作进一步的研究。如：如何通过比较简单的拓扑结构实现 逆变器的软丌关，同时并不增加开关器件的电压或电流应力；什么样的控制方式 更适合于软开关逆变器；怎样设计高频谐振电感更合理、更有效，怎样制作在大 功率、高频率下工作的电容等。 1 3 本文的主要研究内容 本文采用了一种具有辅助开关管的z c t 软丌关逆变器拓扑结构，该拓扑结构 可以通过控制辅助管的开通关断实现谐振，进而实现主丌关管的零电流开通与关 断，很好的实现软丌关过程，减小了丌关损耗。 本文首先介绍了软开关技术，软丌关逆变器的发展与现状。第二章介绍了z c t 7 北京交通大学硕士学位论文 软开关逆变器的主电路拓扑及其工作原理，并对系统进行了仿真研究。第三章重 点讨论了软开关谐振参数的选择，1 0 0 k v a 软开关逆变器工程样机的主电路拓扑结 构及主要元件的参数设计。第四章介绍了控制系统的硬件及软件构成。第五章给 出了实验波形，并对其进行了对比和分析。最后总结了实验的结果，给出了结论， 并就一些仍需解决的问题进行了讨论，提出了一些更加深入的后续研究工作的方 向。 三相软开关p w m 整流器系统t 作原理 2 三相软开关p w m 整流器系统工作原理 三相软开关p w m 整流器按照拓扑结构大致可以分为直流环节谐振变换器和 极谐振型变换器两种。由于开关管在关断时存在电流拖尾现象，特别是在电流较 大时，由拖尾现象造成的关断损耗会明显增大。故本设计采用了极谐振型变换器 的z c t 软开关技术，使主开关管和辅助开关管以及它们的反并联二极管都可以实 现零电流的开通和关断。 2 1 软开关p w m 整流器工作原理 2 1 1主电路拓扑结构 本文采用的三相z c t 软开关p w m 整流器的主电路是在传统三相逆变器的基础上 增设6 个辅助开关( s i 。s 6 x ) 和3 组l c 谐振支路( l r l 3 ，c ，1 - 3 ) 构成的，其中6 个辅助开关分别用于实现p w m 整流器6 个主开关管( 8 1 - 6 ) 的零电流开通和关断 【1 3 1 o 图2 1z c t 软开关p w m 整流器主电路拓扑图 f i g 2 1t o p o l o g yo fz c ts o f t s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r 2 1 2谐振单元的工作原理 a b c 由于主电路中三相电路是完全对称的，每一相均由一个谐振单元构成，如图 2 2 所示。下面以a 相为例来分析z c t 软开关的工作原理。 9 北京交通大学硕士学位论文 + 图2 2a 相拓扑图 f i g 2 2t o p o l o g yo f p h a s ea 由于在系统中，中间电容c d 足够大，负载电流i 。和直流侧电压v d 在一个开关周 期内可认为是恒定的。电路中各变量的正方向如图2 2 所示。 假设a 相电流为正，则可通过控制辅助管s 4 x 的开通和关断来实现a 相中主开关 管s 4 的z c t 软开关。整个开关过程共有1 1 个工作模态，主要变量波形图如图2 3 所 示【1 4 】【1 5 】【1 6 】【l 刀【i 引。 伫l _ j 二二二二 一i s 4 x ii i t l li x l a 一z、 玎l 一 l u r v 蝤 - 一 lv x 一t 入j ， - ，r i 。够 tl i t o 八|t i s 4 ，i n 图2 3z c t 软开关主要变量波形图 f i g 2 3k e yw a v e f o r m sf o rz c ts o f t s w i t c h i n g l o 三相软开关p w m 整流器系统工作原理 图2 3 中， t o - t 4 是开关管s 4 导通过程，其关断过程是从t 5 开始，t l l 结束的。下面 将详细分析这两个过程。 主开关管s 4 导通过程分析 s 4 导通前电路的初态为：谐振电容c ，l 两端的电压为v x m ( 从后面的分析可知 v x m = i a z ) ：谐振电感l r l 中的电流为o ；a 相负载中电流i 。流k s l 的反并联二极管。 模态1 ：【t o t l 】 在t o 时刻，开通辅助管s 4 x ，谐振槽开始谐振，谐振回路如图2 4 加粗部分所示， 在 t 0 一t l 】这段时间有： 咖 c r l 音2 ( 2 1 ) 硪 l ，= 叫 ，ld tx 代入初始条件： i x ( t o ) = 0 ；v x ( t o ) = rl r 解得： i x ( t ) 2 半s h l d 卜t o )( 2 2 ) k = v x u c o s r o t ( t t o ) ， 经过1 2 谐振周期后，在t i 时刻：( ) = o ；v x ( t 。) = 一 在 t o t l 】这段时间内，谐振电容放电，流经s l 反并联二极管的电流先增大后减 小，但其值始终大于负载电流i 。 + 图2 4 ：i ：作模态1 ：f t o t l 】 f i g 2 4o p e r a t i o ns t a g e l ： t o t d 模态2 ： h - t 2 】 谐振回路如图2 5 ：j l l * t l 部分所示。在t l 时刻，i x 为0 并开始变正，之后，谐振 槽的电流经辅助管s 4 x 的反并联二极管导通。在t 2 时刻，s i 反并联二极管中电流减 北京交通大学硕士学位论文 小到0 ，自然关断。在 t l - t 2 】这段时间有： 解得： 1 0 云2 乞 i d i 【o l 言一k 加= 等s 逾妒， 【v x ( t ) = _ c o s ( 卜t 1 ) 经过l 4 谐振周期，在t 2 时刻：i a t 2 ) = v x u 么z ；匕( 乞) = o 图2 5 工作模态2 ：【t z - t 2 】 f i g 2 5o p e r a t i o ns t a g e 2 ： t l t 2 】 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 模态3 ： t 2 一t 3 谐振回路如图2 6 加粗部分所示。在t 2 时刻，开通s 4 ，关断s 4 x ，则s 4 x 实现 了零电流关断，s 4 实现了零电流开通。谐振槽中电流开始逐渐向s 4 换流，谐振电 流i x 下降。在【t 2 t 3 】这段时间有： ( 2 5 ) 解得： j i t ) 2 等c ( f _ f 2 ) 一s 酬)( 2 - 6 ) i k ( f ) 一v d 。( 1 - - c o s m ( t f 2 ) ) + s i n t o ( t t 2 ) 在t 3 时刻，i x ( t ，) = o ；屹心) = 丽一玩 1 2 ，x 叫工 纠 一 咖一一出西一班 l i 三相软开关p w m 整流器系统工作原理 + 图2 6 工作模态3 ：【t 2 - t 3 】 f i g 2 6o p e r a t i o ns t a g e 3 ： t 2 一t 3 】 模态4 ： t 3 一t 4 】 谐振回路如图2 7 加粗部分所示。在t 3 时刻，s 4 x 反并联二极管中的电流降为 零，自然关断，之后谐振电容通过s 4 和s i x 的反并联二极管放电。在i t 3 伽这段时 间有： d p q l _ 互2 0 ( 2 - 7 ) d t r l工 d i 一苎= 1 ， r ld t工 褊 爵蕊嚣 的换流过程结束，则t ( ) = o ；匕( ) = 一丽+ 1 3 ( 2 - 8 ) 由上管到下管 北京交通大学硕士学位论文 + 图2 7 工作模态4 ：【t 3 划 f i g 2 7o p e r a t i o ns t a g y 4 ： t 3 - t 4 模态5 ： t 4 一t 5 】 该阶段是正常p w m 控制阶段。负载电流全部通过s 4 。 在【t 4 t 5 】这段时间有：i x ( t ，) = o ；匕( f 5 ) = 一虿j i + 吃 主开关管s 4 关断过程分析 模态6 ：【t s - t 6 】 在t s 时刻，开通辅助管s 4 x ，谐振槽开始谐振，谐振回路如图2 8 加粗部分所 示，在 t 5 - t 6 】这段时间有： d v q l 言2 妥 ( 2 9 ) d i l r l d t2 一v x 一 解得：o ( ，) 2 一三( 2 一弧) s ：i l l 缈( f 一岛) ( 2 1 。) ik ( f ) 2 - - v d 。+ ( 2 v d 。一+ 吃) c o s 叫f f 5 经过半个谐振周期后，在t 6 时刻，谐振电流i 。为零，谐振电容电压达到负的 最大值：t ( f 6 ) = o ；匕( 气) = 一3 + 丽 1 4 三相软开关p w m 整流器系统工作原理 图2 8 工作模态6 ：i t 5 t 6 f i g 2 8o p e r a t i o ns t a g e 6 ：c t 5 - q 模态7 ：【t 6 t 7 】 谐振回路如图2 9 加粗部分所示。在t 6 时刻，i x 为o 并开始变正，之后，谐振 槽的电流经辅助管s 4 x 的反并联二极管导通。在t 7 时刻，s 4 中的电流减小到0 。 在 t 6 一t 7 】这段时间有： ic r - 言2 1 讲 【o l 音2 一k 一吃 解得：j t 渺= 一三( 2 一蕊) s i n 缈( f 一毛) k 吃+ ( 2 吃一、，v 。2 + v 。2 ，c o s 0 9 ( f 一如) 在t 7 时刻有： k 亿夕= 一一( 2 吆一磊) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 + 图2 9t 作模态7 ： t 6 - t 7 】 f i g 2 9o p e r a t i o ns t a g e 7 ： t 6 - t t 模态8 、9 ： t 7 - t 9 】 谐振回路如图2 1 0 加粗部分所示。在t 7 时刻，i x 达到负载电流，s 4 中的电流 减小到0 。之后，开通s 4 ，电流流经s 4 。和s 4 的反并联二极管。在这段时间内关断 s 4 x 和s 4 ，均可实现了零电流关断。在t 8 时刻，谐振电流到达峰值( - 咯+ 瑶j z ， 此时关断s 4 和s 4 x ，均实现了零电流关断。可见要实现零电流关断，必须使谐振电 流的最大值大与i a 。在 t 7 t 9 】这段时间有： d v 0 l 言2 0 ( 2 1 3 ) m 0 l 吉一k 一 褊2 ( 2 珞一腑陋吲 ( 2 - 1 4 ) 【2 咴十( 巩一+ 吃) o o s 础一岛) k 岛j = 一+ ( 2 吃一厩) 1 6 三相软开关p w m 整流器系统：f 作原理 + 图2 1 0 工作模态8 、9 ： t 7 t 9 】 f i g 2 10o p e r a t i o ns t a g e 8 、9 ： t 7 山】 模态1 0 ： t 9 h o 】 谐振电流等于负载电流，可认为是恒定的，如图2 1 1 加粗部分所示。谐振电 容恒流充电，当谐振电容上的电压上升为零这一阶段结束。z e t 9 t l o 】这段时间有： rd v j 0 l 言2 i x ( 2 - 1 5 ) i o = 乞 解得： 彬毫 删吃i 磁疵) 在h o 时刻：i x ( t i o ) = 之；v ( t i o ) = 0 1 7 i j ( 2 _ 1 6 ) 。一 g 北京交通大学硕十学位论文 图2 1 1 工作模态1 0 ：【t g - h o 】 f i g 2 1 1o p e r a t i o ns t a g e l o ：【t g - h o 】 模态1 1 ：【t l o - t l l 】 谐振回路如图2 1 2 加粗部分所示。在t l o 时刻，s l 的反并联二级管中开始导通， 之后，谐振槽的电流逐渐换流到s l 的反并联二级管中。在t i i 时刻，由下管至上管 的换流过程完成。 rd v i c ，l 言2 ( 2 - 1 7 ) 1d 1 0 1 云一k 解得： 经过1 4 谐振周期， 炉徊8 缈。吒( 2 - 1 8 ) i k 2 z s i n 耐( f t i 。) 在t l l 时亥0 ：t ( f i i ) = o ；v x ( t i i ) = 屯z 三相软开关p w m 整流器系统工作原理 + 图2 1 2 工作模态1 1 ：【t i o - t i l 】 f i g 2 1 2o p e r a t i o ns t a g e ll ：【t n 0 - t l l 】 因此可得：在一个谐振周期结束后，谐振电容两端电压v ) ( m = i 。z 。由于谐振 电流最大值为( 况一屹+ 瑶j z ，为实现开关管的零电流开通和关断，必须满足在t 8 时 刻，谐振电流最大值大于输入电流i 。即： 吉1 2 一( 屯z ) 2 + 吃l i o ( 2 - 1 8 ) o 、， 谐振阻抗须：z 3 4 i a 以上分析是基于电流i a 为正时进行的，当电流i a 为负时，软开关的实现依赖 于s l 的辅助管s 其开通和关断过程是类似的。 谐振电流及电压的波形还可以通过状态轨迹矢量图来表示，图2 1 3 较为简单、 清晰的反映出z c t 软开关的实现过程【19 】【2 0 1 。 氏麓 t l o 夕，、 t 3lv c o 一 砸l 义 ) ， 朋。 了 图2 1 3 谐振过程的状态轨迹欠量图 f i g 2 13r e s o n a n ts t a t e - p l a n et r a j e c t o r y 如图2 1 3 所示，横轴为谐振电容两端电压，纵轴为谐振单元( 谐振电容及电 1 9 北京交通大学硕士学位论文 感) 两端电压。谐振过程中谐振电容及谐振单元每个时刻的状态都可以通过图4 表示，图2 3 中的谐振周期在图2 1 3 为一个圆周，而圆周的半径则反映了谐振能 量的大小。 2 2 系统仿真 为验证该z c t 软开关的工作性能，根据软开关逆变器的电路拓扑，在 m a t l a b 7 2 s i m u l i n k 中建立了单相的z c t 软开关逆变器的仿真模型，如下图2 1 4 所示： 图2 1 4z c t 软开关逆变器的单相仿真模型 f i 簖1 4s i n g l e - p h a s ei n v e r t e rs i m u l a t i o nm o d e lo f z c ts o f t s w i t c h i n g 零电流软开关逆变器仿真模型中包括了s i 、s 4 两个i g b t 主管和s lx 、s 4 x 两 个i g b t 辅管，l c 谐振回路及脉冲控制模块。 图2 1 5 是直流侧电压为5 0 0 v ，负载电流为2 1 5 a 时的仿真波形。 三相软开荚p w m 摧流器系统工作原理 图21 5z c t 软开关主要变最波形圈 f i 9 21 5k e y w a v e f o r m s f o r z c ts o f t - s w i t e h l n g 与图2 3 比较可知， g s a 、g s 4 x 、i x 、v x 、vi s 4 的仿真波形与理论波形完全 致。 2 2 1 软开关控制系统的仿真 根据软开关的工作原理，辅助开关管要在主开关管，f 通和关断前导通。但如果 辅管的开通和关断只依赖于相应的主开关的驱动信号，那么在一个桥臂卜的两个 辅管就会出现贯穿短路的情况。这是因为一个桥臂上的两个i g b t 的死医时问很 小甚至小于辅管的脉宽，从而造成贯穿导通。而增大死区时间会对输出电流波 形有较大的影响。 为解决辅管贯穿导通的问题，本文采用了一种电流方向控制开关的方法。即根 据负载电流的方向柬控制辅管的一个桥臂中上下两管的导通和关断。当负载电流 为设定的正方向时，若主开关管的下桥臂导通，则相应的辅管导通，若主丌关管 的上桥臀导通时相应的辅管不动作。相反，当负载电流为设定的反方向时，若主 开天管的上桥臂导通，则相应的辅管导通，而主丌关管的f 桥臂导通州相应的辅 管小动作。 根据上面所述f 向棒制原理，具体在计算机仿真m a t l a b 的实现方法如下： 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 6 控制电路仿真模型 f i 醇16s i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o lc u r r e n t 2 2 2 开关管s 4 的波形 图2 1 7 为开关管s 4 的门极信号和电流波形。从图中可看出s 4 为零电流开通， 当s 4 关断过程时，电流流经反并联二极管，实现了零电流关断；并且电流以谐振 的方式上升和下降减小了二极管的反向恢复问题。 r八 f l 2 2 3 开关管s 4 x 的波形 图2 1 7s 。的开关波形 f i 9 2 17s w i t c h i n gw a v eo f $ 4 三相软开关p w m 整流器系统_ t 作原理 图2 1 7 为开关管s 4 x 的门极信号和电流波形。从图中可看出s 4 x 为零电流开通， 当s 4 x 关断过程时，电流流经反并联二极管，实现了零电流关断；并且电流以谐振 的方式上升和下降减小了二极管的反向恢复问题。 g s 4 i s 4 x 2 2 4结论 图2 1 8s 4 x 的开关波形 f i 9 2 18s w i t c h i n gw a v eo fs 4 x 仿真结果表明，主、辅开关管均实现了零电流开通和关断。从而降低了开关 损耗并且减小了二极管的反向恢复问题。 系统硬件电路设计 3 1 技术条件 额定功率： 额定输出三相相电压： 中间直流电压： 变流器输出电流： 控制电源： 开关频率： 控制方式： 冷却方式： 3 系统硬件电路设计 1 0 0 k 、以 2 2 0 v + 1 0 ，5 0 h z - i ：0 5 h z ( 并网) 3 5 0 v 5 5 0 v 2 6 2 a 单相2 2 0 v + 1 0 5 1 k h z 基于s v p w m 的恒控制 风冷 在负载1 3 1 0 0 变化范围内均可实现主辅管的零电流开关： 具有l c d 监视界面和网络控制接口，可以监视输出电流和电压、频率和其他工作 参数等，并可通过操作器上的按键控制逆变器的工作； 数据通信采用隔离4 8 5 总线，隔离电压a c 2 5 0 0 v ； 具有直流侧过压、短路、过载、超温等保护功能； 3 2 电气原理图 三相z c t 软开关p w m 整流器系统电气原理图如图3 1