（电力电子与电力传动专业论文）基于软开关技术高频pwm逆变器特性研究.pdf

a b s 丁r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h en e w s t y l ep 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 s t h es w i t c h f r e q u e n c yo ft h ep o w e rc o m p o n e n t s i s h e i g h t e n e d i nt h ep w mv a r i a b l e f r e q u e n c y d r i v i n gs y s t e m t h ei n c r e a s i n gf e q u e n c y s h o r t e n st h er i s et i m eo f t h ep u l s ev o l t a g eo f t h e i n v e r t e ro u t p u t ，w h i c hb r i n g sas e r i e so fn e g a t i v ee f f e c t st ot h em o t o r a no s c i l l a t o r y o v e r - v o l t a g ei sf o r m e da tt h em o t o rt e r m i n a lw h e n t 1 1 eh i g h - f r e q u e n c yp w m p u l s e sa r e t r a n s m i t t e dt ot h em o t o rt h r o u g ht h ec a b l e w h i c hi n c r e a s e st h ev o l t a g es t r e s so ft h e m o t o rw i n d i n g s 0 na c c o u n to ft h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s ，t h ep u l s ev o l t a g ed i s t r i b u t e a s y m m e t r i c a l l yi nt h ew i n d i n g sm a d r e s u l t si 1 1p r e m a t u r ef a i l u r eo ft h ew i n d i n gi n s u l a t i o n b e c a u s es o m e p a r t so f t h ei n s u l a t i o nl a y e ro f t h ew i n d i n g sa r ep e n e t r a t e db y t h ev o l t a g e m o r e o v e r , t h eh i g hf r e q u e n c yp u l s ev o l t a g ei n p u r e dt ot h em o t o rb r i n g so nt h es h a f c v o l t a g e t h a to c c u r sa sc o m m o n - m o d ev o l t a g e t h es h a f tv o l t a g er e s u l t si n b e a t i n g c u r r e n t st h a th a v ed i f i e r e n tf o r l n si nt h em o t o rb e a r i n g sa n d d e s 拓o y t h eb e a r i n g sa tl a s t b a s e do ne x t e r n a lr e s t r a i nd e v i c e s t h i sp a l ) e rw i l li n t r o d u c es o r - s w i t c h i n g t e c h n o l o g yi n t o t h ei n v e r t e r , w h i c hw i l ls o l v et h e p r o b l e mi n s i d e s o f t - s w i t c h i n g t e c h n o l o g yp r o d u c e sz e r ov o l t a g es w i t c h i n g o rz e r oc u r r e n ts w i t c h i n gc o n d i t i o n sb vl c r e s o n a n c e w h i c hd e c r e a s e st h es w i t c h i n gi o s sa n de m io f s w i t c h i n g d e v i c e s t m sp a d e rf o c u so ns o f t - s w i t c h i n gi n v e r t e r , w h i c hi n c l u d e sr e s o n a n td cl i n k i n v e r t e r ( r d c l i ) a c t i v ec l a m p r e s o n a n td cl i n k i n v e r t e r ( a c r l l ) 、p a r a l l e l d cl i n k i n v e r t e r 伊r d c l i ) a n a l y z i n gt h es w i t c h i n gp r i n c i p l eo f t h e s ei n v e r t e r s i tw a sf o u n d t h a t t h ed v d ta n dd g d to f s w i t c h i n g p u l s e sd e c r e a s eg r e a t l y b a s e do nt h i sc h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p e ra p p l i e ss o f t s w i t c h i n gi n v e r t e rt e c h n o l o g yt o d e c r e a s ed v d to ft h ep u l s ev o l t a g e w h i c hi sc o n t r o l l e db yd i s t r i b u t e dp u l s em o d u l a t i o n t t g o u g ht h ea n a l y s i s o ft h e o v e r - v o l t a g e ，w i n d i n gv o l t a g ed i s t r i b u t i o na n db e a r i n g c u r r e n to ft h em a c h i n ed r i v e nb yh a r ds w i t c h i n gi n v e r t e ra n ds o f ts w i t c h i n gi n v e r t e r r e s p e c t i v e l y c o n c l u s i o n c a l lb ed r a w nt h a tt h es o f s w i t c h i n gi n v e r t e rn o to n l yd e c r e a s e t h es w i t c h i n gl o s s ，b u ta l s oe l i m i n a t en e g a t i v ee f f e c t so f h i g hf r e q u e n c yp u l s ev o l t a g et o t h em a c h i n e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e a n s ，t h ea d v a n t a g ea n dd e f i c i e n c yo fs s ic a n b eg a i n e d k e yw o r d s ：h i g hf r e q u e n c yp w mp u l s e s ；s o f t - s w i t c h i n gi n v e r t e r ；r d c l i ；a c r l i ； p r d c l i ；d i s t r i b u t e dp u l s em o d u l a t i o n 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，也不包含为获得垂盗盘堂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：云1 艘； 签字日期：柳3年月归日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂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：未l 浓池导师签名： 签字日期：铆口；年f 月j 0e l 签字吼年沁月i 弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1p 1 f # i 变频调速技术的发展 1 9 6 4 年，德国的a s h n o u n g 将脉宽调制口w m ) 技术从通信领域引入d c a c 逆 变电路的设计中，对近代交流调速系统的发展起到了极大的促进作用。与常规的六 阶梯波逆变器相比，p w m 逆变器具有显著的优点： 它使用不可控整流桥，使系统对电网的功率因数与逆变器输出电压值无关而接 近于1 ： p w m 变频器只需对逆变器进行控制，由于这种逆变器只有一个可控功率级， 既可用来控制逆变器输出交流基波的电压幅值，又可控制其输出频率，即在调 频的同时实现调压，调节速度快，加快了系统的动态响应： 简化了主回路和控制回路结构，体积小、重量轻、可靠性高。 不仅能提供较好的输出电压和电流波形，而且可有效抑制谐波，提高载频。 正是这些优点，使p w m 变频调速逐步取代直流调速，并在各个领域获得广泛 应用。p w m 电压型逆变器在当今d c a c 转换领域占据了绝对的统治地位。 近年来，随着现代电力电子朝着高频化、模块化、智能化、集成化和绿色化方 向发展，新型半导体功率器件的开关频率不断提高口1 。逆变器一个周期内输出脉冲 越多，等效电压波形越接近于正弦波，从而减少输出谐波，提高调速性能，滤波器 尺寸也将减小；特别是当开关频率在1 8 k h z 以上时，噪声将超出人类听觉范围， 实现无噪声传动。电力电子装置的高频化为p w m 变频调速带来更大的发展空间。 1 2 p w 变频调速存在的问题及研究现状 然而，开关频率的提高，也带来了一系列新问题，主要表现在以下四个方面o l 4 1 ： 1 2 1 开关损耗与器件损坏问题 常规的p w m 逆变器，其功率开关管为硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) ，即在电压不为 零时导通，或在电流不为零时关断，处于强迫开关过程。硬开关状态下的功率开关 管不是理想开关，开和关不能瞬时完成，需要一定的时间。在这段时间里，开关管 两端电压( 或通过电流) 减小的同时，其上通过的电流( 或两端的电压) 同时上升， 形成电压和电流波形的交叠，从而产生开关损耗。开关管的开通和关断损耗分别等 于在开通和关断时间里开关管两端电压和通过电流乘积的积分，即 既，= r v ，j 。d t睨= 【”vi ，d t 则一周期开通和关断的总损耗分别为： p 。，= 。w , op 。 = m 上式中，t o n 为开通时间，铀为关断时间，为开关频率。显然，随着开关频率的提 第一章绪论 高，开关损耗将成正比线形上升。大功率电力晶体管b j t 的开关时间约为几十n s 到几u s ，而可关断器件g t o 和i g b t 的开关时间约为几十n s 。通常由这些器件构 成的变频器的开关频率为2 3 k i - i z 。高频化后，变频器的开关频率提高到几十k h z ， 造成开关损耗增大。理论分析表明，一个周期内器件的开关损耗为总平均损耗的 3 0 4 0 ，且随开关频率的增大而增大。 电路中难免存在感性元件( 引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感) ，当 开关器件关断时，由于通过该感性元件的d i d t 很大，感应出很高的尖峰电压加在 开关器件两端，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件 的两端，易造成器件击穿。当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结 电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而会 引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期。开关管在 此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器 件的安全运行造成危害。目前为防止尖峰电压和尖峰电流对管子的危害，主要采用 缓冲电路( s n u b b e r ) 的方法，通常在开关元件上串联或并联缓冲电路，将动态开关 轨迹限制在元件的安全区内。然而，该方式增加了器件的开关损耗，增大了变频器 的体积和造价。 1 2 2 电机绝缘过早损坏问题 应用高频p w m 逆变器后，国内外都出现过变频电机绝缘损坏的情况 5 1 ，许多 变频电机的寿命只有1 2 年，甚至有些在试运行中就遭到破坏，而且绝缘击穿常发 生在首匝，随着开关频率越来越高，此种现象更为明显。这是电力逆变技术的应用 给电气绝缘技术带来的新问题，如果不解决，势必阻碍p w m 变频调速技术的发展。 九十年代以来，匡i 内外学者针对电机绝缘过早损坏问题进行了一系列研究，本课题 组在该方向的研究也已开展了3 年。结合国外和已有研究成果可得到以下信息： ( 1 ) 电机绝缘过早损坏的原因是，电机和电缆特征阻抗不匹配，使高频p w m 脉冲电 压在电机端发生反射叠加，造成电机端过电压，加大了绕组的电压应力，使绕 组绝缘所受电压应力超过其能承受的最大值。 ( 2 ) 绝缘击穿常发生在首匝的原因是由于电机绕组电压分布不均，脉冲电压更多地 降落在线端线圈上，尤其是线端线圈的头几匝承受的电压应力最大。p w m 脉冲 上升、下降时间越短，脉冲上升率d v d t 越大，使绕组电压分布愈不均匀，首匝 承受电压降愈大。 ( 3 ) 长电缆连接电机和逆变器，会加重阻抗不匹配的程度，使过电压更加严重。载 波频率愈高，单位周期的脉冲愈多，反复冲击绕组绝缘，加速其老化。 目前，防止电机绝缘过早损坏应注意以下几点：在满足电机调速性能的前提下， 不盲目追求高频化，一般在8 1 6 k h z 即可。尽量避免长电缆的使用，以免在电机 端产生过申压。 第一章绪论 对解决已有调速系统的绝缘问题主要有两种方式，一是抑制电机端的过电压， 二是改善电机绕组上的电压分布。抑制过电压可以采用多电平控制技术，利用多重 逆变器降低每次脉冲的跳变电压，从而降低电机定子绕组上的瞬时电压应力。但是， 多电平技术需要对逆变器进行改造，所需功率器件成倍增加，致使逆变器体积增大， 控制也变得十分复杂。 此外，采用阻抗匹配网络抑制脉冲的反射叠加口】，也能减小过电压。其原理是， d 0 tr t l 一l 图1 - 1阻抗匹配结构囝 在电机端并联r c 支路，使得该支路与电机绕组并联的等效阻抗与传输电缆的特征 阻抗相等。这样一来，高频p 1 】| i m 脉冲电压波到达电机端后不再发生反射叠加，电机 端过电压就不能形成。阻抗匹配结构如图1 1 所示。但是，阻抗匹配网络的参数设 置受电机、电缆、负载、载频等特性的影响，缺乏通用性。在某些恶劣工作环境， 如钻井、潜水泵等，不易安装。 1 2 3 高频p 嗍交流传动系统中的轴电压及轴承电流问题 高频p w m 逆变器的共模电压经分布电容耦合在电机转子形成很高的轴电压， 其值远远超过工频下由于磁不对称引起的轴电压。当轴电压超过由润滑剂形成的电 介质能承受的最大电压，将击穿油膜，在轴承上产生电火花加工( e d m ) 电流， 该电流有很强的热效应，使得与该点接触的金属熔化，熔化的金属粒子被带到润滑 剂中，从而增加轴承的摩擦，最终使转子轴承滚道呈现槽状损坏。应该指出，只要 在电机轴承上某一点出现凸起与凹槽，以后的损坏都将在这一点逐步加剧，一直到 最后轴承损坏，这就是所谓的“蚁穴效应”。此外，高频p w m 脉冲产生的d v d t 电 流，也是轴承损坏的重要原因，d v d t 电流虽然幅值远远小于e d m 电流，但却是轴 电流最主要的成分，且随着开关频率的增高，所占比例增加，幅值也逐渐增大。d v d t 电流对电机轴承的损坏是长时间反复电腐蚀积累的结果。因此，防止轴承损坏的主 要方式有： ( 1 ) 消除、减小共模电压： ( 2 ) 消除、减小电机的内部耦合( 静电屏蔽电机e s i m ) ： ( 3 ) 消除、减小e d m 轴电流； 第章绪论 ( 4 ) 消除、减小d v d t 轴电流。 减小共模电压可采用多电平控制，优缺点前面已述。应用静电屏蔽感应电机 ( e l e c t r o s t a t i cs h i e l d e di n d u c t i o nm o t o r - e s i m ) ，即在定予、转子之间加一层法拉第 屏蔽层，可有效地减小耦合程度，从而将轴电压减小到无屏蔽情况的1 0 2 5 。 但这种方法需要特殊的电动机和设备，工艺复杂、不太实际。消除轴承电流最常见 的方法是使轴承绝缘，但是必须使两个轴承都绝缘，这是因为电容感应电流可以流 入大地。如果只有一个轴承绝缘，那么，所有的电流都会流经那个没有绝缘的轴承， 这样会导致该轴承迅速损坏。 采用在逆变器输出端串上大的电抗器，即正弦波滤波器的方法，逆变器输出的 脉冲电压在经过大电抗器作用后成为变成正弦波电压，从而降低逆变器输出电压上 升沿的d v d t ，因此电机损坏问题可以得到根本的解决。但是这种办法使电抗器上 产生很大电压降，功率损耗非常大，电机无法工作在额定状态。 采用r l c 滤波装置1 6 j ，在逆变器输出端串接电感值不大的电感以抑制电流的快 速变化，同时在输出端线间设置r c 阻抗吸收输出电压的高次谐波，这样可以适当 降低输出脉冲电压上升沿的d v d t 值，从而降低d v d t 轴电流。另外，r l c 滤波装 置有减小电机端过电压、改善绕组内电压分布的作用，从而使以共模形式耦合到转 子的轴电压相应减小，所以它对e d m 电流也有一定的抑铝4 作用。r l c 滤波装置结构 如图l 一2 所示。 d lz、z 镧麴 一 一一 i r z 图1 2r l e 滤波装置 1 2 4 电磁干扰( 酬i ) 变频器工作时易对其它设备产生电磁干扰，随着频率的提高越来越严重，电力 电子系统中的电磁兼容问题具有它本身的特殊性，通常，它涉及到装置主电路中的 大功率器件开关过程中过高的d v d t 和d i d t 引起强大的传导型电磁干扰，有些高频 大功率装置还会引起很强的电磁场( 特别是近场) 辐射，它们不但可能造成自身控 制电路的误动作，而且会对附近的电气设备造成电磁干扰。甚至影响到附近操作人 员的安全。近年来，在与电力电子技术相关的一些重要国际学术会议( 如a p e c 和 p e s c ) 上，均开始安排了专门的分会场讨论电力电子装置( 系统) 的e m i 问题。 由于电力电子装置( 系统) 的e m i 问题涉及面广，检测测试困难，研究难度大， 第一章绪论 进展缓慢。在国外，已经形成一个专门的学科，引起了众多学者的关注，并取得了 一定的研究成果，例如电路中传导e m i 的实验测量方法1 7 j 、采用软开关技术抑制 e m i 等等l g 】。我国在这方面的研究刚刚起步，近几年有一些研究机构和高校己着手 这方面的研究。 其中软开关技术6 0 年代就已经提出，目前在d c d c 变换领域应用已比较广泛， 但在d c a c 逆变领域，由于器件和控制方面的原因一直没有成熟的产品。 关于以上这些问题的深入研究以及其它相关问题的解决是国内外学者共同关 注的课题，它涉及到多学科交叉，如电力电予、电机、电缆、长线传输、电磁场及 绝缘材料等。 从我国的国情和经济发展需要来看，国内大部分调速系统仍将由通用p w m 型 变频器与通用变频电机组合而成，在化工、采矿、石油勘探等行业，特殊的工作环 境要求变频器与电机之间采用一定长度的电缆连接。研究电缆介质及长度对电机过 电压的影响，以及p w m 逆变器高频脉冲输出( 尤其在开关频率升高情况下) 对电 机的负面效应显得由为迫切。从长远来看，随着近年来开关频率的提高，开关损耗 和e m i 的抑制使得软开关逆变器成为软开关技术新的研究热点。软开关逆变器已 经公认为下一代逆变器发展的趋势。因此研究软开关逆变器的特性，尤其是其对电 机负面效应的抑制，对于国民生产和变频调速领域的技术进步都有着重要的意义。 1 3 本课题研究的主要内容与方法 1 3 1 以往研究的不足 关于电机绝缘过早损坏与轴承损坏的问题，前两届研究生已作了相关研究【5 j 1 6 j 。 文献f 5 1 对于电机端过电压的产生机理作了较深入的分柝弗取得了一些实质性成果， 同时对电机绕组的电压分布也进行了初步探讨，最后提出了阻抗匹配的方法抑制电 机端过电压。文献【6 研究了高频p w m 交流传动系统中的轴电压及轴承电流问题， 并且就电机绕组的电压分布作了更深入的研究，最后设计了逆变器输出端的r l c 抑制装置，以消除p w m 逆变器高频脉冲输出给电机带来的负面影响。但是文献 5 ，6 都是采用比较被动的方法，即在高频p w m 脉冲产生过高的d v d t 以后，再想办法 从外部消除或进行抑制，不能从根本上解决问题。两篇文章分别在电机端和逆变器 输出端添加抑制装置，而对逆变器不作改进，因此逆变器功率开关器件仍工作在硬 开关状态，随着开关频率的增高，开关损耗增大，输出脉冲电压具有很高d v d t ， 易产生较大的e m i 。本文采取的思路是不在后续电路上安装抑戋4 装置，而通过软开 关技术改进逆变器，使输出脉冲波形前后沿具有较低的d v d t 。 1 3 2 本课题主要内容 本课题在文献 5 ，6 的基础上，仍以工业中广泛应用的交直交电压型s p w m 变 频调速系统为研究对象，交一直交电压型变频器包括整流环节、直流储能滤波环节、 第i 章软开关技术 第二章软开关技术 2 1 软开关的基本概念 对于“硬开关”和“软开关”的一般理解是：硬开关过程是通过突变的开关过 程中断功率流完成能量的变换过程；软开关则通过电感l 和电容c 的谐振，使开关 器件中电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，侵器件关 断，当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压与零电流条件下完成导通 与关断的过程，将使器件的开关损耗理论上为零。 由于现代功率半导体器件的开关转换过渡时间( 开通瞬间与关断瞬间) 在毫秒 到纳秒级，因此变换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。当变换器开关的过渡过程只受外部寄生成分的影响时，这种开关在使用过程中 被定义为硬开关。借助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。当在开关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。当储存在电磁元件中的能量进一步增加的时候，可 明显观察到谐振现象，就导致了谐振变换器技术的产生。将谐振限制在开关周期某 甙“卜、 庞“”“m 庞“”如” 图2 。l 硬开关状态时的电压和电流波形 一区间内工作就产生了目前变 换器中使用的大部分软开关技 术。 图2 - 1 是开关管在硬开关状 态时的电压和电流波形。由于 开关管不是理想器件，在开通 时开关管的电压不是立即下降 到零，而是有一个下降时间， t 同时它的电流也不是立即上升 到负载电流，也有一个上升时 间。在这段时间里，电流和电 压有一个交叠区，产生损耗， 称之为开通损耗( t u m - o nl o s s ) 。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升 到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个 下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，称之为关断损 耗( t u r n - o f fl o s s ) 。上述两种损耗统称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定条件 下开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频 第二章软开关技术 率成正比，开关频率越高，总的损耗就越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存 在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。 i 、 ， 。f 躇”“ p 1 0 0 5 ( 口仃) = 0 g t * 断 a ) 零电流开关b ) 零电压开关 图2 - 2 软开关状态的电压、电流波形图 图2 - 2 给出了软开关状态时的电压、电流波形。从图可以看出，减小开通损耗的 几种方法： 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电压 与电流的交叠区，这就是所谓的零电流开通。从图a 可以看出，开通损耗大大 减小。 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通。从图b 可以 看出，开通损耗基本减d , n 零。同时达到上述两种要求，开通损耗为零。 减小关断损耗的几种方法： 在开关管关断前，使其电流减d , n 零，这就是所谓的零电流关断。从图a 可以 看出，关断损耗基本减d , n 零。 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电压 与电流的交叠区，这就是所谓的零电压关断。从图b 可以看出，关断损耗大大 减小。同时达到上述两种要求，关断损耗为零。 2 2 软开关的分类和发展 按照功率变换器能量转换形式的不同，可以将软开关变换器分成d c - d c 和d c - a c 两类。每一种软开关电路都是在基本电路如降压、升压、正激、反激的基础上， 增加谐振元件或辅助开关而得到的。d c d c 软开关变换器按其发展进程可分为以下 三类： 第= 章软开关技术 ( 1 ) 准谐振电路。最早提出的软开关变换器是准谐振变换器( q r c s ) ，因电路工作 在谐振的时间只占开关周期的一部分，故称为准谐振。由于它不能使有源开关和二 极管同时具备软开关条件，之后又提出了多谐振变换器( m q r c s ) ，这两种准谐振变 换器使电路的开关损耗和开关噪声都大大降低。但谐振电压峰值较高，要求器件耐 压高：谐振电流的有效值大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗大； 输出电压的调节通过调节开关频率( p f m ) 实现，当负载和输入电压在大范围变化 时，开关频率也会大范围变化，使得变压器和滤波器的设计十分困难。为此，又提 出了零电压开关p w m 电路。 ( 零电压开关p w m ( z v s - p w m ) 变换器和零电流开关p w m ( z c s - p w m ) 变换 器。通过附加的辅助开关阻断谐振过程，使电路在周期内，一部分时间按z v s 或 z c s 准喈振方式运行，另一部分时间按p w i v l 方式运行。同准谐振相比，开关承受 的电压明显降低，可以采用固定频率的p w m 控制方式，既具有软开关的特点，又 具有p w m 恒频占空比调节的特点。但由于谐振电感串联在主功率回路中，存在着 很大的环流能量，不可避免的增加了电路的导通损耗；且软开关条件极大地依赖于 输入电源和输出负载的变化。为解决这些问题，零电压转换p w m 变换电路被提 出。 ( 3 ) 零电压转换( z v t ) p w m 变换器和零电流转换( z c t ) p w i v i 变换器。此类型电路 中，辅助开关与主功率开关管相并联，电路的环流能量自动保持在较小的数值，且 软开关条件与输入电压和输出负载无关，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载 到满载都能工作在软开关状态。但此类软开关电路并非完美，如( z 、7 r ) p w m 电路 中，辅助开关是硬关断的，而且辅助开关关断时，其电流大于主开关峰值电流，因 此当电路电流很大时，辅助开关的关断损耗就会比较明显，影响电路的效率。 谐振软开关逆变器( d c a c ) 大致可分为两类： ( 1 ) 直流环节谐振型逆变器( r d c l i ) 。直流( d c ) 环节谐振型逆变器的特点是在逆变 桥与直流母线之间有一辅助谐振回路。通过谐振电容电压v c 周期性返回零点，为后 面的逆变桥创造零电压开关间隔。p , e l c l i 的电路拓扑结构及控制策略在所有d c 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 也有两个明显的缺点，这就是：直流( d c ) 环节谐振型逆变器开关器件的电压 应力大，浩振电压峰值高( 可达2 3 倍v 。) ：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d c 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 ) ， 有源箝位谐振d c 环节逆变器( a c r l i ) ，d c 环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 等。 第二章软开关技术 ( 2 ) 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 r i ) ，辅助二极管变换极逆变器( a d r p i ) 。这类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。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； 不增加开关器件的电压应力。其缺点是：大多数这类逆变器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 3 软开关的应用与存在的问题 2 3 1 软开关的应用 到耳前为止，软开关技术在d c d c 变换器中已得到广泛的应用。比较典型的应 用有： 零电压开关或零电流开关的正激、反激或正反激组合式变换电路 采用全桥移相式z v s 、z c s 变换电路的开关电源 采用z v t 、z c t 技术的有源功率因数校正电路 谐振型软开关逆变电路( d c a c ) 自1 9 8 6 年提出以来，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，但目前还远未达 到成熟的程度，实际中未能象d c - d cp w m 变换器那样得到广泛应用。各国的专家 学者们目前在这一研究领域正在作着不懈的努力。人们公认，此种类型的逆变器将 是下一代逆变器的发展主流。故而研究软开关逆变器对电机负面效应的影响具有很 实际的意义，且软开关的原理和特点正好可以降低高频脉冲波的d v d t ，为其可行性 提供了较好的前景。国外已有部分学者开始研究软开关逆变器抑制轴电压与轴承电 流的可行性。 2 3 2 软开关存在的问题 软开关逆变器迟迟没有真正成熟的产品是因为谐振器件的增加和控制方式的复 杂。软开关技术逆变器的实际应用必须解决以下几个关键问题： ( 1 ) 解决电路谐振时所产生的高电压应力和高电流应力； ( 2 ) 如果谐振电感处于主功率传输通道上，在大功率和很高的谐振频率下，势必引起 感性损耗； 第三章直流环节谐振型逆变器 第三章直流环节谐振型逆变器 直流环节谐振型逆变器结构简单，是本文重点研究对象。以下针对三种不同的 拓扑结构：谐振d c 环节逆变器( r d c l i ) ，有源箝位谐振d c 环节逆变器( a c r l i ) ， d c 环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) ，分析各自的工作过程，比较优缺点，仿真得到 谐振产生的电压、电流波形。 3 1r d c l i 的原理与特点 3 1 1 r d c l l 的工作原理 v i n 图3 - 1 谐振d c 环节三相逆变电路 谐振d c 环节三相逆变电路由三部分组成：电压源vm ，谐振槽路l c 和三相逆 变桥。与普通电压源逆变器不同的是，功率流向逆变桥必须经过谐振槽路，故输入 逆变桥的电压不再是直流电压，而变为频率较高的谐振脉冲电压，它周期性地在谐 振峰值与零点之间振荡，从而产生零电压时间间隔，为三相逆变桥创造零电压通断 条件。 1 谐振d c 环节的基本工作原理 r d c l i 最重要的部分是其谐振槽路，为了解r d c l i 的基本工作原理，必须首先 分析谐振d c 环节的动态工作过程： 无损耗l c 谐振槽路如图3 - 2 所示。 jc 等饥= c 皇：f ， ( 3 _ 1 ) l d t 谐振初始条件为： 也髂： 解方程并代入初始条件可得： 对应的电路动态微分方程组为 第三章直流环节谐振型逆变器 k = ( 卜c o s ( 0 0 ，) 仁貉咖州 b 2 ) 式中m 。= l 琵为谐振槽路无阻尼振 荡角频率。利用m a t l a b 仿真得到电容 两端电压v 。波形如图3 - 3 所示，这时 v c 为一在0 2 v i 。间周期性振荡的正弦 信号。仿真参数设置为v h = i o o v ，l = 8 5 e - - 6 h ，c = o 7 5 e 一6 f ，故t = 5 0 u s 。 实际电路中不可能做到无损耗振荡，l c 电路的品质因数一定为一有限值，尤其 电感的绞线有一定的损耗，且此损耗将随着工作频率的提高而增大，因此实际的 l c 谐振槽路为图3 - 4 所示的r l c 电路。相应的动态微分方程组： 也铅暑： 代入初始条件解得 式中，占= r z l ，。= 1 c ， c o = ；一占2 ，z 。= 叫c 为谐 振电路特性阻抗， 口：t a n 一1 竺：s i n - l 旦；c o s l 旦 1 j o甜。 图3 5 为v c 随时间t 变化的仿真波 形。为了与无损耗谐振槽路相比 较，仿真参数设置与前面相同，只 增加了r = 2 0 h m 。由于r 的存在， ( 3 - 4 ) ! 鼍1 i：丁 ，、l j i 夸哮限 rj、；l条初 川j 芦 耐s t 前 眦旦。产 小等 ，j、ll 第三章直流环节谐振型逆变器 这时v c 为一衰减振荡波形并最终稳定在电源电压v i 。值。从图上看出v 。不能周期性 地返回零点，从而也不能为后面的三相逆变桥周期性地创造零电压通断间隔。 开关s ，的作用 为了使v c 周期性地回零，必须补充电 路中的损耗，其办法是在l c 谐振槽路开始 振荡之前，先使电感l 储存有足够的能量， 这样就可使l c 振荡为等幅振荡。设置辅助 开关s ，的r l c 谐振槽路如图3 - 6 所示。 图3 - 6 带辅助开关s f 的r l c 谐振槽路 每当v c 回到零点后，导通s ，这时v c 被钳位在零值，i l 则按指数增长。当i l 2 i l o 时，关断s r ，这时l c 谐振槽路开始振荡。初始时刻电感l 中储存的能量三吃2 应能保证v 。可靠地谐振回零。这样在v 。每次回到零位后。导通s 。通过为电感l 预充电，使振荡过程损耗的能量得以补充，从而使v c 的等幅振荡能不断持续下去， 为后面的三相逆变桥创造出所需要的零电压间隔。此电路的动态微分方程组与有损 耗l c 谐振槽路相同，只是初始条件不同： j t ( o ) = o h 。【o ) = o 解方程组( 3 3 ) 并将上述初始条件代入可得： v 。= 了z 丽o l o - # 一+ ，一番蠡n 枷) f 淫s ， 式中f = 害居o ) o 为阻尼飘阳a n 。1 华。 i l o 为预充电电流阀值，只要选择合适的i l 0 ，就可以保证v c 可靠地返回到零值。 o f _ 卜i t 卜 ： a ) i 旷2 0 a b ) i l o = 1 5 a 图3 7 电容两端电压v 。的仿真波形 图3 7 为电容两端电压v c 的仿真波形，仿真参数设置为v i n = 5 1 3 v ，l = 6 0 u h 第三章直流环节谐振型逆变器 c = i u f ，r = o 1 0 h m ，故t = 4 9 u s 。a ) 中v 。为一等幅振荡波形，周期性返回零值。i l o 设定为2 0 a ；b ) 中v 。为一衰减振荡波形，i l o 设定为】5 a ，表明i l o 值太小，不足以 补充l c 槽路在一个周期谐振过程中的能量损耗。 2 r d c l i 工作过程分析 前面分析谐振d c 环节时，并没有考虑输出负载电流i o ( d c 环节输出电流) 对谐振槽路的影响。而实际上，i o 对于l c 的谐振过程肯定是有影响的。因此，在 分析r d c l i 时，讨论l c 谐振槽路工作过程将逆变桥与谐振槽路作为一个整体， 必须考虑负载电流i o 的影响。当负载电感足够大，即假定远远大于谐振电感l 时， 负载电流i o 在一个谐振周期中可近似看作不变，其数值取决于各相电流的瞬时值及 逆变桥六个开关器件的开关状态。这样可将图3 1 简化成为如图3 - 8 所示等效电路。 谐振d c 环节的一个工作周期可分为两 个阶段描述。 第一阶段为谐振电感的预充电阶段：在 这个阶段中，开关s ，导通，电容电压被箝位 在零，电感电流在直流供电电压的作用下按 指数规律增长，当i l = i l o 时，预充电阶段结 iy ”l s r i 0 f _ v i nc 亍7 2 fj 4 1 束。i l o 为考虑到负载电流i o 后的预充电电流阂值，目的是补充l c 谐振电路在一个 谐振周期中的能量损耗。 第二阶段为l c 谐振阶段：定义这个阶段的初始时刻为t = 0 ，在这个时刻关断 s ，这时，i l ( 0 ) = i l 0 ，v o ( o ) = o 。在开关s ，打开后，图3 - 8 所示电路的动态过程可用 如下面的方程组描述： j d d i r l + i r + v c = lc 等- f 一。 。6 初始条件： 麓器暑分。 代入初始条件解得： iv 。= ( v i n - i o r ) 押4 ( 。r 一) c 。s 耐押。l 壶( 屯。) + 丢( 凡尺一) s i n 耐 卜”。埘( i l o - 1 0 ) c o s 舭e 岫阻旷u 畦( ，0 肛 s i l l 缸 ( 3 - 7 k 霉慧糍粼 。， 第二章直流环节谐振型逆变器 作为上述方程的一种特殊情况，当i l o = i o 时，上式变为 【1 - c o s ”朵s ( 3 - 9 ) 式子( 3 9 1 _ 说明当l c 谐振槽路无任何损耗时，只要保证电感充电电流闽值i l o 等于陔时刻的负载电流i o ，则电容电压v 。将与无负载电流时完全相同，在o 2 v 。 间周期性振荡，而电感电流将为一均值等于i l o 的正b 玄脉动电流。实际上，由于l c 谐振槽路存在着损耗，必须保证i 。= i l 0 - - 1 0 0 。 第二阶段从i l = i l 0 开始，之后v 。从0 开始增长，当v 。再次谐振回零后，第二 阶段结束，这时开关s ，再次导通，开始下一周期的第一阶段。 3 r d c l l 工作过程仿真 图3 - 9r d c l i 等效电路仿真模型 r d c l l 等效电路仿真模型如图3 - 9 所示，o u t l 模块为直流侧输入电压v m 设 定为5 1 3 v ，l = 6 0 u h ，c = l u f ，r = 0 1 0 h m 。采用使能触发( e n a b l e 、t r i g g e r ) 子系统， 在电容电压由正变0 的下降沿，触发开关模块，实现开关s ，的零电压导通，预充电 电流阈值il o ，通过比较器设置，当i l 上升到i l 0 时，t r i g g e r 模块的下降沿触发，使 开关控制信号子系统的输出重新置位，完成开关s ，的关断。 仿真得到一个周期内，谐振电压、电流波形如图3 1 0 所示。从图中可以看出由 于负载电流i o 的影响，预充电闽值i l o 略有提高，设定为3 0 a ，当电感电流i l 达到 该值时，开关s ，断开，谐振过程开始，当v 。再次回零时，导通开关s ，。从而形成 了零电压间隔，为后面的三相逆变桥提供零电压开关状态。从多次仿真发现，预充 电阈值i 【o 设为谐振电流峰值的3 0 4 0 ，基本可以保证v 。谐振回零。谐振元件l c 的参数设置根据公式( 3 ，4 ) 等计算，先有谐振频率确定l 与c 的乘积，根据i o 确定 ，、 第三章直流环节谐振型逆变器 il 0 ，再推出谐振电流峰值，计算出谐振电路特性阻抗，即可得到l