（电力电子与电力传动专业论文）新型谐振过渡软开关三相pwm逆变器.pdf

西安理工大学博士学位论文 分析了现有s v p w m 技术应用到谐振极三相逆变器中时存在的不足和缺陷，提 出了基于新型谐振极零电压过渡三相逆变器电路的s v p w m 改进方法：还提出了一 种成倍减少辅助开关的开关次数的控制方法，试验结果表明该改进方法和控制方法 达到了预期的效果。 此外，还提出了一种软开关技术变频器的具体设计方法，该设计方法具有一般 性，可以推广应用到不同容量的软开关变频器设计中。 关键谣：谐振谐振过渡软开关三相逆变器脉宽调制开关损耗效率 本文得到了陕西省自然科学基金的资助( 2 0 0 l x l 9 ) 摘要 n o v e lr e s o n a n tt r a n s l t i o n s o f t s w i t c h i n gt h r e e p h a s ep w mi n v e r t e r s a b s t r a c t i n v e s t 唔a t i o n so ns o r - s w i t c h i n gt h r e e - p h a s ei n v e n e r sa 聘o v e r v i e w e d ，g e n e r a l l z e d ，a n d e v a i u a t e d ，a n dt h ek e yp r o b l e m so nn o v e ls o r - s w i t ch i n gt h r e e p h a s ep w m i n v e r t e r sa r e d i s c u s s e di nd e t a i l an o v e lt o p o i o g yo fd c ra i lz v tv o i t a g es o u r c et h r e e 。p h a s ep w mi n v e r t e r j s a d v a n c e dt h ep r i n c i p l e ，d e s i g n 。o n s i d e r “o n s ，m o d u la t i o ni n d e xa n de f f i c i e n c yo f t h e p t o p o s e di n v e n e ra r ed i s c u s s e di nd e “1 a i it h ep o w e fd e v i c e si n c l u d i n gm a i ns w i t c h e sa n d a ux i i i a r ys w i t c h e sa r ei ns o f t s w i t c h i n gc o n d i t i o n ( z v so rz c s ) ，w h i l et h ef r e e w h e e l i n g d i o d e sa r et u m e do f fi nz e t oc u r r e n tc o n 龇i o n b e s i d e s ，t h ec o n t r o lo n e s o n a n c eb e t w e e n j n d u c t a l l c ea n dc a p a c i t o rc a l lb ee a s i l yr e a l i z e dw i t h o u tn e e d i n go fs e 州n gt h et h r e s h o l d v a l u e so ft h ej n d u c t a l l c ec u r r e n t t h ep r o p o s e dj n v e r t e rc a nw o r ki nf o u 卜q u a d ，a sw e l l i n n u e n c eo fd c r a i lz e r 0 v 0 1 t a g en o t c ho nt l eo u t p u to ft h ei n v e r t e ri si n v e s t i g a t e d ， a n da ni m d o r t a n tc o n c l u s i o nj so b t a l n e dt h a tm ed j r e c t i o no fo u t p u tc u r r e n to ft h ei n v e r t e ri s n o te 艉c t e d b yt h ev o i t a g ed e v i a t i o np r o d u c e d b yd c r a i lz e r o v o i t a g en o t c h ，o nt h eb a s i s o fw h i c h ，an e ws i m p j ec o r r e c t i o n 印p m a c hi sp u tf o n a r de x p e r i m e n t e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dc o r r e c t i o nm e t h o di se f f b c t i v e an o v e lr e s o n a n tp o l ez v tt h r e e p h a s ep w m i n v e r t e rc i r c u i tf o rl h r e e 。p h a s ea c m o t o rd r i v i n gi sp r e s e n t e dt h ep r o p o s e dc i r c u i th a st h ef e a t u r eo fb e l n gm o r en e x b l ew i t h t h r e ei n v e r t e ra r n l si nz v tp r o c e 5 s u s i n g 。n l yo n er e s o n a n ti n d u c t a n c e ，t h ei n v e n e rc a n n o t0 n l yr e d u c et h ep o w er l o s so fi n d u c t a n c eb u ta l s oa v o i dp o s s i b i l i t yo fu n b a l a n c e i n m o t o r st h r e es t a t o rw i n d l n g s t h er e s i d u a r ye n e 唱yi nt h er e s 。n a n tl n d u c t a n c ec a nb e f e e d b a c kl ot h ep o w e rs o u r c e ，a sw e l l i na d d i t i o n ，a 1 | o fi h ea u x i i i a r ys w i t c h e sj n t h e i n v e r t e ra r ei nz c sm o d e t h ec o n t r o l l o g i co f m ea u x i l i a r ys w i t c h e si sm u c hs i m p l e b a s e d 0 nt h ea n a l y s i so ft h ep r 叩o s e di n v e n e r ，t h ez e r o - t r a n s i t i o nc o n d i t i o n i so b t a i n e d a 西安理工大学博士学位论文 p r o t o t y p ei sm a d ev e r i 母j n gt h ef e 鹤i b i i i t y 。f t h en e wi n v e r t e n s w i t c h i n g 【o s sa 1 1 de 衔c i e n c yo f t h ep r o p o s e dr e s o n a n tp o l ez v tt h r e e p h a s ep w m i n v e r t e ra r ea i l a i y z e da 1 1 dd i s c u s s e d r e s u ho fc a l c u l a t i o na n dt e s t i n go ft h ep r o t o t y p e t o g e t h e rw i t h a h a r d - s w i t c h i n g i n v e r t e rw j t ht h es a m es p e c i 矗c a t j o ns h o wl h a ta n i m p r o v e m e mo f2 一3 i so b t a i n e d b a s e do nt h ea n a i y s i so fd r a w b a c k so fe x i s t i n gs v p w mt e c h n i q u ei nr e s o n a n tp o l e z v tt h r e e - p h a s ep w mi n v e r t e r s ，s e v e r a l l m p r o v e ds v p w mm e t h o d sa r ep r e s e n t e dan e w c o n t r o lm e m o d ，w h i c hc a nr e d u c et h es w i t c h i n gn u m b e ro ft i m e so fa u x i l i a r ys w i t c h e st o o n eh a l ei sp u tf o r w a r d t h en e w8 p p r o a c h e sa r ev e r 讯e db ye x p e r i m e n t a t i o n ag e n e r a l i z e dm e t t l o dt 0d e s i g nas 0 r - s w i t c h i n gv v v fi sa l s 0d i s c u s s e di nl h ee n d k e y w o r d s ：r e s o n a n 恹e s o n a n t t r a n s i t l o “s o r s w i t c h i n g 厂r h f e e - p h 越ei n v e r t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s w i t c hl o s s e m c i e n c y n o t e ：t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db ys h a a n x if o 帅d a 伽no fn a t u r a ls c i e n c e ( 2 0 0 1 x 1 9 ) 主耍符号表 主要符号表 功率器件的集电极 电容元件及电容量 谐振电容及电容量 开关s i s 6 的并联电容及电容量 二极管 开关s i s 6 的反并联二极管 功率器件的发射极 直流电源电压 误差 功率器件的门极 电流平均值、有效值 电流瞬时值 电感电流 开关s l 的电流 比例系数 电感及电感量 谐振电感及电感量 变压器变比 变压器及电感的绕组匝数 功率 电阻元件及电阻值 开关器件 变压器 开关周期 谐振周期 k o c c c 白d 卧e e a g ， b蜥七 上 厶 n p r s b l 西安理工大学博士学位论文 时刻 死区时间 时间段 电压平均值、电压有效值 谐振电容电压瞬时值 输出电压平均值 电压瞬时值 开关s ，两端电压瞬时值 效率 角频率 谐振角频率 ， 幻盯u 岍乩 “ 脚 。甜 阱 第l 章研兜背景及意义 1 研究背景及意义 1 1关于电压源三相逆变器和开关损耗 近年来，相对于电流源三相逆变器来说，电压源三相逆变器得到了更 为广泛的应用。这是因为，电压源三相逆变器具有如下的优点【3 9 ： 用电容作为直流母线上的滤波储能器件，具有体积小、重量轻，低 损耗、高效率的特点： 更适合于大多数交流负载的感性特点，不需要外加滤波电容； 驱动感性负载时，功率器件上需增加反并联二极管，而现在的大部 分功率器件在制造的时候已经把它们封装在了一起。 功率器件上不需要串联反向阻断二极管，就大大提高了它们的工作 效率。 以上的特点决定了电压源三相逆变器不仅大量的应用于交流电机的驱 动系统中，而且还广泛的应用于其它的些逆变系统，诸如不间断电源 ( u p s ) 、一些用于功率因数校正装置中的三相b o o s t 整流器。 图1 1 给出了现在常用的系统构成。 三相整畹擤 图1 1 用于驱动三相交流电机的电压源三相逆变器系统一般构成 图1 2 给出了感性负载下，三相逆变器中u 相桥臂功率器件在一个开 关周期内典型的电流和电压工作波形 8 l 】。 西安理工大学博士学位论文 开关s 一开通开关s 。通态开关s - 关断 乙悖；b 厂乜展二 l 氏一一 h 州f 、汐 ? d 吩j ，出一、夭0 一舭，!厂 7 l m 。 k 叫f ， | 茎il 一2 一个开关刷期内功率开关器件和反并联二极管上的电流和电压波形 对于由两个功率开关s l 和s 4 构成的一个逆变桥臂( s i 在上、s 4 在下) 来说，当开关s 。开通时，通过感性负载的电流将开始增加。当开关s 。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s 【上的反 并联二极管d l 进行续流。 假设初始电流流过二极管d l ，当开关s 4 开通时，负载电流将从d l 中 转移到s 。中，遗憾的是，二极管d ，不能立即从正向导通状态恢复到反向阻 断状态，相反，在d 1 恢复到能承受反向电压之前，d ，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s 。所以，此时流过s a 的电流是负载电流和d 。反向恢复电流之和。而且，此时s 。上的电压还仍然 为直流母线电压。这样，开关s 一开通时，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d 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s 4 被关断时，负载电流转移到二极管d l 中，s 。两端的电压慢慢 上升到直流母线电压，此时流过s 。的电流基本上等于负载电流；当s 4 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s 一关断期 间也有一个较大的功率损耗。 第1 章研究背景及意义 对于中等功率或大功率的电压源三相逆变器来说，常常用到诸如双极 型晶体管( b j t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 和门极可关断晶闸管( g t o ) 等，这是由于这些器件的电流和电压额定值要高于功率场效应晶体管 ( m o s f e t ) 。然而这些器件的开关特性相对较差，特别是在硬开关条件下 的关断拖尾电流，将产生很大的开关损耗，另外一个开关损耗的来源是功 率开关上反并联二极管的反向恢复电流，它将在硬开关条件下引起明显的 开通损耗。 近年来，高性能的i g b t 已经成为交流电机调速系统的普遍选择元件。 图1 3 给出了带反并联二极管的i g b t 工作在占空比为5 0 时功率损耗的计 算结果。可以看出，随着工作频率的增加，功率损耗迅速增大，这表明开 关损耗比通态损耗更重要。另外，分析功率开关在各个工作期间的功率损 耗也很有意义，图1 4 给出了i g b t 在通态、关断和开通等阶段的功率损耗 以及i g b t 的总功耗。 一总计 7 1 一 i ，一” 手衫 二_ 。， ， l 一一 _ 一l ， 总计 7 。 ， 开通 7 _ 翟 一i 一 盖斯 _ 通态 51 0 1 52 02 53 0 3 5 0 5l o1 52 0 2 53 03 5 开关频率( k h z )开关频率( k h z ) 图1 3i g b t 和反并联二极管功耗圈1 41 0 b t 各个工作阶段的功耗 ( 直流母线电压为4 0 0 v ，电机电流15 a ) ( 直流母线电压为4 0 0 v t 电机电流1 5 a ) 应当指出，虽然在工作频率低于5 k h z 时，i g b t 中的通态功率损耗是 主要的，但当工作频率较高时开关功耗则变为主要的，更重要的一点是， 开通功率损耗显然比关断功率损耗还大，这是因为，i g b t 开通期间它需要 通过一个很大的反并联二极管的反向恢复电流。已经发现，能够减少开关 功如 加 ” m 如 功如 ” 加 ” 旧 如 西安理工大学博士学位论丈 功率器件关断时间的方法经常伴随着其在导通状态下压降的增加，这样也 就增加了开关功率器件的通态功率损耗。 1 2 软开关技术三相逆变器的提出 近几年来，三相逆变器控制技术的改进和性能的提高，使得变频器的 应用范围急剧扩大，不但在传统的工业电力传动领域，对三相逆变器的需 求急剧增加，而且在军事领域( 如航天、潜艇等) 、民用领域( 如家用电器、 电动汽车等) 也在大量使用逆变调速装置以获得优良性能。当然，也促进 了逆变器技术研究的进一步发展。 在有关的文献58 】中，对三相逆变器在电力传动方面期望实现的有关性 能指标进行了描述： 电机在额定转速运行时效率大于9 8 ，l o 额定转速运行时，效率 大于8 0 ； 制造成本：小于u s $ 1 0 门( w i 功率密度：大于1 0 0 k w 酽； d v d f ：，j 、于1 0 0 0 v u s ； 开关频率：大于2 0 k h z ； 可靠性：在电机寿命之内没有问题： e m i ：零电磁辐射、不产生干扰。 这些目标的实现在现有的技术条件下是大有希望的，但为了实现这些 目标，还需要在如下一个或几个技术领域中进行探索。 夺新的高性能价格比和高效率的软开关技术逆变器电路： 夺较低的导通压降、很小的开关损耗、高功率密度的门关断器件。极 快速的反向恢复二极管。高频率、耐高温的超级电容： 夺直流总线及器件通道上极小的回路电感，新型冷却方式，和标准的 包装设计； 夺门驱动、保护电路和控制器的一体化设计。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。5 0 年代末出现了晶 4 第1 章研究背景及意义 闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代 旋转变频机组实现了变频调速，然而，晶闸管属于半控型器件，可以控制 导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流 调速时必须附加强迫换相电路。7 0 年代以后，功率晶体管( g t r ) 、门极关 断晶闸管( g t o ) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e rm 0 s f e t ) 、绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等已先后问世，这些器件都 是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需 要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。i g b t 由于兼有m o s f e t 和g t r 的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，并向大功率容量迅 速发展。近年来，大功率化、高频化、模块化、智能化又是电力电子器件 发展的一个热点。8 0 年代以后出现的功率集成电路( p o w e ri c p i c ) ， 集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于 交流调速的智能功率模块( i n t e l l i 譬e n tp o w e rm o d u l e i p m ) 采用1 0 b t 作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压 保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减 少了体积、减轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功 率器件的重要发展方向。在器件的制造材料方面，碳化硅( 所c ) 材料成为 一个研究的热点。器件的每一次更新都为电力电子变换技术的发展注入了 新的活力。 在本文的研究中，需要强调的是逆变器的电路拓扑设计。 众所周知，脉宽调制( p w m ) 技术在逆变器中的应用，对近代电力电 子技术、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e e ，p w m 逆变器具有很显著的优点。如：逆变器在调频的同 时实现了调压控制，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动 态响应：可获得比常规六阶梯波好的多的输出电压波形，能消除与抑制低 次谐波，使得负载电动机可在近似于正弦的交变电压下运行，转矩脉动小， 从而大大地扩展了拖动系统的调速范围；在使用了不可控整流桥以及大容 西安理工大学博士学位论文 量滤波电容以后，虽然会产生谐波问题，但系统对电网的功率因数与逆变 器输出电压值无关而且接近于l ，但正是这些优点，使p w m 电压型逆变器 在当今d c a c 变换器领域诸如电机驱动，不间断电源( u p s ) ，感应加热 等方面占据了绝对的统治地位。 然而常规的p w m 逆变器并不是最优的，特别是在大功率三相逆变器 的应用里，很长时间来人们就认识到在p w m 逆变电路中，如果能将开 关频率在原有基础上进一步提高，将会带来一系列好处。如低次谐波会被 更有效的抑制，输出将具有更标准的正弦波形，滤波器的尺寸将大大缩小 等等，各种变换器的功率密度和性能将会得到很大的改善。但是，传统逆 变器的功率器件工作在强迫换流开关( 硬开关) 条件下，开关频率的提高 要受到以下因素的影响【2 j ： 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3 0 一4 0 。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。 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，给器件的安全运行带来极大地危害，导致功率 器件开关过程需要较大的安全工作区( s o a ) 。 硬开关将会导致较大的电磁干扰( e m i ) ，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，c 护门的电容 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d v c i f 会耦台到输入端，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。 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 第1 章研究背景及意义 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。 硬开关条件下，逆变器中缓冲电路( s n u b b e r ) 的设计是必不可少的， 它可以限制功率器件开通时的d f d r 、关断时的d w ，d r ，使动态开关轨迹限制 在开关安全区( s o a ) 之内，保证功率器件能够安全运行。但s n u b b e r 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。 硬开关将会导致功率器件工作时，引起噪声污染。 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。 软开关技术的基本思想是在原有的硬开关电路中增加辅助的电感和电 容元件，利用其谐振过程，使开通时电压的下降先于电流的上升( 零电压 开通) ，或关断时电流的下降先于电压的上升( 零电流关断) ，消除电压和 电流的重叠，从而消除了硬开关条件下的许多缺陷。 与p w m 硬开关电路相反，在谐振软开关电路中，功率器件在零电压 ( z v s ) 或零电流( z c s ) 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( e m i ) ，输出波 形的谐波成分少：另外，由于功率器件在零电压( z v s ) 或零电流( z c s ) 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( s n u b b e r ) 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 p w m 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。 1 3 软开关技术三相逆变器的研究现状 软开关技术出现在8 0 年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心( v p e c ) 西安理工大学博士学位论文 的李泽元( f c l e e ) 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d c d c 变换器中，先后推出了准谐振变换器 ( q r c q u a s i - r e s o n a n tc o n v e n e r ) ，多谐振变换器( m r c m u i t i r e s o n a n t c o n v e r t e r ) 等一系列电路拓扑，并已在宇航电源等场合获得成功的运用。 然而在d c a c 逆变器，特别是多相逆变器中，软开关技术的应用却遇到了 相当大的困难。d c d c 变换器中成功运用的谐振技术移植到d c a c 逆变 器中，多个谐振开关的谐振元件作用相互影响，电路难以工作。 1 9 8 6 年，美国威斯康星大学的d md i v a n 教授提出了谐振直流环节逆 变器( r d c l i r e s o n a n td cl i n ki n v e n e r ) 和谐振极逆变器( r p i r e s o n a n t p o l ei n v e r t e r ) ，这两种建立在电压源三相逆变器基础上，适用于各种d c a c 逆变器的新型软开关电路拓扑，才较好地解决这一难题，并立即引起了世 界各国有关研究人员的重视。在每一年的尼e e 上4 s 年会、伍e e p 髓 c 年会、 伍e e 腓c 会议及厄e e 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，目前己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( r e s o n a n td cl i n k ) 逆变器： 指的是把上c 谐振网络加在输入直流电源和逆变桥之间，谐振发生在直 流母线上，使得直流母线上的电压或电流变成不断过零点的脉冲序列，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，所以， 它和传统意义上的p w m 系统，有着较大的区别。 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( r d c l i ) ，改进 型的谐振d c 环节逆变器( i r d c l i ) ，有源钳位谐振直流环节逆变器 ( a c r d c l i ) ，并联谐振d c 环节( 也称为准谐振d c 环节) 逆变器 ( 0 r d c l i ) 等等。当把三c 谐振网络以串联的方式接入直流母线时，还可 第1 章研究背景及意义 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。 图l 一5 给出了辅助谐振d c 环节零电压开关( z v s ) 三相逆变器的一般 构成。 图l - 5 辅助谐振d c 环节三相逆变器电路的一般构成 图1 6 给出了辅助谐振d c 环节零电压开关( z v s ) 三相逆变器及直流 母线上的电压波形。 p 。习旺， 圈1 6 辅助谐振d c 环节逆变电路的母线电压波形 包括电压源逆变器传统硬开关调制( 大部分为p w m ) 模式、谐振d c 环节直流母线下降模式、零电压保持模式、谐振d c 环节直流母线电压上 西安理工大学博士学位论文 升模式等几个区间。其中d c 母线电压下降时间、零电压保持时间、d c 母 线电压上升时间的总和相当于硬开关动作时的死区时间。 2 谐振极( r e s o n a n tp o l e ) 逆变器： 指的是把l c 谐振网络加在逆变桥的桥臂上，功率器件上的寄生电容也 成为谐振网络的一部分。谐振网络工作过程为主功率器件的开关过程创造 一个零电压条件或为主功率器件的关断创造一个零电流条件。而输入端直 流母线波形仍然保持和传统的硬开关逆变器一样。 图1 7 给出了谐振极三相逆变器电路的一般构成，在硬开关三相p w m 电压型逆变器一整流变流器的三相输出线上接上三组由双向有源开关和电抗 器组成的辅助谐振( 换相) 网络组成的y 联结( 联结) 模块，并在逆变 器的功率器件上并联电力无损耗缓冲电容。 三挂谨童撩电镰 幽l 7 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z v s 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a r c p i 及多种改进型的电路拓扑，零 电压过渡p w m 逆变器( z v p w m ) 和零电流过渡p w m 逆变器 ( z c t _ p w m ) 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) p w m 电 第1 章研究背景及意义 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p w m 电压源型逆变器高，可降低电磁噪声。 由于谐振软开关逆变电路与常规硬开关逆变电路比较具有明显的优 点，这个新概念从一出现就显示出了蓬勃的生命力。但到目前为止，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： 对谐振电压和谐振电流峰值的箝位。 零损耗换向条件下，电路结构的简化。 控制策略简单和易于实时控制，具有良好的工作可靠性。 软开关条件下p w m 和s v p w m 技术的实现。 消除软开关技术的实现对整个系统输出性能的影响。 实现谐振只在换向时的发生，提高母线电压的利用率。 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p w m 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 d c a c 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。 该项目在国外为研究热点之一，其原理样机己达到工业应用水平， 根据有关文献报道，0 a kr i d g 国家实验室在混合电动汽车中成功地应用 了辅助换相软开关技术逆变器，其功率为1 0 0 k w ，尺寸为： 0 2 3 m o 3 m + o 1 5 m ，实验结果满意。国内尚处于探索研究阶段。 1 4 本文研究工作的主要内容及章节安排 本文研究的主要内容体现在对软开关技术三相逆变器新型拓扑电路的 研究及软开关三相p w m 变频器设计举例两个方面。 西安理工大学博士学位论文 在软开关三相逆变器的拓扑电路的研究方面，本文首先对现有的谐振 直流环节三相p w m 逆变器拓扑电路和谐振极三相p w m 逆变器电路，进行 了简单的回顾和总结。在此基础上，提出了新的直流母线零电压过渡三相 p w m 逆变器电路和谐振极零电压过渡三相p w m 逆变器电路，并对这些电 路从实用化的角度出发，进行了详细的讨论。 本文研究工作的主要内容( 创造性) 及章节安排如下： 在本文的第2 章中，提出了一种主要针对于三相交流电机驱动的新 型直流母线零电压过渡三相p w m 逆变器电路。本文对该电路的研究包括 如下的主要内容： ( a ) 对其工作原理做出详细的理论分析，给出有关的详细的数学推导。 ( b ) 详细讨论了该电路附加谐振电路中有关器件的参数设计规则。 ( c ) 对该电路中辅助开关控制过程的实现做出详细描述。 ( d ) 对该电路的工作过程进行详细的仿真验证。 ( e ) 对该电路进行实验验证。 ( f ) 对该电路的效率进行讨论。 ( g ) 对空间电压矢量调制方法在该电路中的应用进行讨论。 ( h ) 讨论了该电路对最大调制系数和最小调制系数的影响。 ( i ) 讨论了母线零电压凹槽( 包含死区时间) 对三相逆变器输出性能 的影响，讨论了这种情况下的逆变器输出波形畸变校正的方法。进行了实 验验证。 在本文的第3 章中，提出了一种主要针对于三相交流电机驱动的新 型谐振极零电压过渡三相p w m 逆变器电路。同样，本文对该电路的研究 包括如下的主要内容： ( a ) 在对新电路拓扑的工作原理进行详细分析的基础上，给出了该 电路开关器件零电压过渡开关条件，并通过由该电路构成的电机调速系统 中有关的实验验证了该电路工作的原理正确性和实现有效性。 ( b ) 讨论了空间矢量调制技术在新电路中应用时的不足和缺陷，给 第1 章研究背景及意义 出了s v p w m 调制技术的改进方法。讨论了一种辅助开关最小开关次数的 控制方法，这种方法不需要增加任何的附加元件，但能使辅助电路的工作 次数缩小一半，从而使得整个电路的工作效率得到提高，并用实验的方法 给予了有效性的验证。 ( c ) 讨论了基于谐振极零电压过渡三相p w m 逆变器的开关功率损耗 数学模型，以及工作效率随逆变器输出频率及开关频率的变化关系，并用 对比实验的方法给予了有效的验证。 在本文的第4 章中，给出了对谐振极零电压过渡软开关技术变频器 ( 5 0 k w 、开关频率2 0 k w ) 的设计举例。主要包括以下内容： ( a ) 给出了逆变桥功率器件及吸收电容的设计 ( b ) 给出辅助谐振网络中谐振电感、辅助开关和阻断二极管等元器件 的设计； ( c ) 给出了谐振网络辅助开关控制电路的设计； 在本文的第5 章中，对全文进行了全面的总结。 主要包括一下内容： ( a ) 指出了本文研究的创新点； ( b ) 给出了本文后续研究的几个方向 第2 章新型谐振直流环节三相逆变器的研究 2 新型谐振直流环节三相逆变器的研究 本节的叙述中首先简单回顾谐振直流环节三相逆变器的研究新进展， 简要分析有关文献中提出电路的优缺点和主要的应用。重点对作者本人提 出的一种直流母线零电压过渡( d c r a i lz v t ) 三相p w m 逆变器电路进行 了深入的研究，主要包括以下几个方面的内容： 对电路拓扑的研究。首先从一次z v t 的发生和一个开关周期内空 间矢量的零电压过渡两个方面进行了详细的理论分析，给出了辅助谐振直 流环节有关的元件参数设计方法，并进行了仿真和实验研究。 对该电路实际应用的研究。对逆变器的调制系数、效率及直流母线 零电压凹槽对逆变器输出性能的影响做了深入的讨论，提出了相关的校正 方案，并进行了对比性的分析和实验。 2 1 谐振直流环节三相逆变器的研究现状 2 1 1谐振直流环节逆变器( r d c l i ) 的基本电路及改进 文献 2 1 中最早提出的r d c l i 电路具有结构简单、控制简单、工作可 靠的特点。 图2 1 和图2 2 为谐振直流环节三相逆变器的电路原理图和工作时的等 效电路。与传统的硬开关技术电压源逆变器不同之处在于功率流向逆变桥 必须经过c 谐振回路，通过谐振，电容电压“c ，周期性地返回零点，从而 为后面的三相逆变桥创造了零电压开关间隔。 “辅助谐振网络 三相逆变桥 一学弓铲p 5 r 蟋 。； l e 堆扭蓐 图2 1 谐振直流环节三相逆变电路原理图 西安理工大学博士学位论文 圈2 2r d cl i 的等效电路模型 在讨论上c 谐振过程时可以把三相逆变器和负载电机看作为一个整体， 当负载电感远大于谐振电感厶时( 对于电机负载来说，这点不成问题) ，负 载电流厶在一个开关周期( 谐振周期) 内，可以近似看作恒值，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。 相关的文献拉l j 分析表明：当c 谐振网络无任何损耗时，只要保证电 感预充电电流阈值也口等于该时刻的负载电流厶，则电容电压“o 将在啦2 e 之间周期性振荡，而电感电流将为一均值等于“的正弦脉动电流。当然由 于c 谐振网络实际存在着损耗，因此，为了弥补这部分的损耗，必须保证 电感预充电电流闽值七加大于该时刻的负载电流厶，这样以来，谐振电容电 压“c ，将可能超过电源电压e 的2 倍以上，甚至达到3 倍之多，同时电感预 充电电流阈值止加的控制也变的比较困难 谐振电感上的阈值电流儿d 对保证该电路的正常工作起着很重要的作 用，当丘加值过小时，将可能使谐振电容电压“c ，的回零失败，从而造成逆 变桥开关零电压开关的失败，因此在实时控制过程中，应该不断检测负载 电流厶，当厶变化时，使电感预充电电流阈值丘加也随之变化，从而保证屯，o 具有足够大的数值，使“c r 能正常回零。显然，这样做的结果必然增加了控 制上的复杂性，在谐振频率很高的情况下，这实际上是无法完成的一个任 务。一个简单的方法是在已知负载电流的厶变化范围的前提下，确定一个 不变的屯加，该五，d 应能保证在厶为最大值时，仍然能保证“口能谐振回零。 这样做就带来了另外一个缺点：为了保证电感电压一个周期内的平均值为 零，“c ，必然会有更高的谐振峰值。 第2 章新型谐振直流环节三相逆变器的研究 另外，对于谐振直流环节三相逆变器来说，开关功率器件的开关时刻 将不仅仅由某种调制策略决定，例如正弦调制的自然采样法、规则采样法 及谐波消去法等等，同时还要取决于直流母线电压是否已谐振到零点。也 就是说，在这种情况下，开关时刻在时间轴上成为了一些不连续的点，因 此在应用各种常规的p w m 策略时都将带来一定的时间误差。这种时间误 差将会使其输出中存在着大量的低于，；2 的频谱成分的谐波。这是该电路 的另外一个主要的缺点。 国内已有文献 2 2 】介绍在实验室中用该系统驱动1 5 k w 三相鼠笼式异步 电机，与传统的s p w m 方式相比，在开关频率为2 0 k h z 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，2 4 ，2 5 ，2 6 1 也对该电路的实 际应用做了大量的工作。在许许多多对r d c l i 电路的改进拓扑中，有源箝 位谐振直流环节三相逆变器( a c r d c l i ) 电路 2 7 j 又是最具代表性的一种。 该电路主要克服了一般r d c l i 的主要缺点谐振峰值过高而导致器件应 力增加这一问题。与r d c l i 电路相比较，a c r d c l i 电路增加了一个箝位 电容( 远大于谐振电容) 和一个开关元件，箝位电容上的电压为魄= ( 1 ) e ，( 扣1 2 1 4 ) ，这种电路工作原理简单并能取得较好的钳位效果，从而可 以大大降低逆变桥开关器件的电压应力。图2 3 给出了a c r d c l i 的电路原 理图，图2 4 给出了a c r d c l i 电路中谐振电压“c r 和谐振电流f n 的理想波 形。 图2 3 有源箝位谐振直流环节三相逆变电路原理图 西安理工大学博士学位论文 口 l l ， 口 图2 4a c r d c l i 电路中谐振电压“，和诣振电流u ，的理想披彤 从有关的文献【2 7 | 的分析中可以知道，当箝位电压小于2 e 的时候， a c r d c l i 电路的脉冲谐振频率随着七值的减小而降低，当扣1 时，脉冲谐 振频率将趋于零，这意味着当箝位电压低于某一个限值时，a c r d c l i 中的 箝位电路将变得毫无意义。 还有，关于a c r d c l i 电路的控制问题，a c r d cl i 电路仅通过增加一 个箝位电容c c 和一个开关s 。，并通过使电容e 上每一周期充放电净电荷为 零这样一种控制策略，就把谐振电压峰值恒定的限制在地( 2 ) ，为实现 这个控制策略，需要一个附加的电路来监测箝位电容c 充放电期间所增加 的净电荷，这在控制上是比较复杂的，在实际的电路中几乎是不可实现的。 有许多文献在该电路的实际应用方面做了工作，其中文献 2 8 ，2 9 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 2 8 中采用了滑模控制，负载电机为4 k w ，谐振频率大约为1 8 k h z ，采用 m o t o r l a 的1 6 位芯片m c 6 8 0 0 0 c p u 实现控制策略，文献 2 9 】中采用了建 立在d s p 基础上的预测电流控制技术，采用t i 公司的