（电力电子与电力传动专业论文）直流母线并联谐振零电压过渡软开关逆变器.pdf

两北r 业人学倾卜论文 摘要 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，w e m a i n l yi n v e s t i g a t e t h er e s o n a n ts o f t s w i t c h i n g p w m i n v e r t e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ha n a l y s i s o ft h ed c r a i lr e s o n a n ts o f t s w i t h i n g i n v e r t e ra n d z v t ( z c t ) 一p w mt e c h n i q u e ，w e a d v a n c et h es o l u t i o nt or e s o l v et h e q u e s t i o n 一一一h o w t o a p p l yp w mt e c h n i q u e t oc o n t r o ld c r a i lr e s o n a n ts o f t s w i t h i n gi n v e r t e ri sr e s o n a n tt r a n s i t i o nt e c h n i q u e 2 w ep r e s e n tan o v e ld e r a i l p a r a l l e lr e s o n a n tz e r ov o l t a g et r a n s i t i o nt h r e e - p h a s e p w m v o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r w h i c hi sb a s e do nr e s o n a n tz e r ov o l t a g e ( z e r o c u r r e n t ) t r a n s i t i o nt e c h n i q u e ；a t t h es a m et i m ei t s e f f i c i e n c ya n a l y s i s a n d s i m u l a t i o nr e s u l ta r ep r e s e n t e d 3 t or e a l i z et h ec o n t r o l l a t i o no f s y s t e mw ea p p l y8 x c 1 9 6 m ct op r o v i d es p w m s i g n a l ，a tt h es a m e t i m ew eu s ea s s i s t a n tc i r c u i tt oc o n t r o lt h o s ea s s i s t a n ts w i t c h i nf i n a ls e c t i o nt h ep r o b l e mo ft h ei n v e r t e ri sc o n c l u d e da n dt h en e w m e t h o dt o r e a l i z et h ec o n t r o l l a t i o no fs y s t e mi s p r e s e n t e d i nt h ee n dt h ep r o s p e c t i v er e s e a r c h d i r e c t i o ni sd i s c u s s e d k e yw o r d s ： t h r e e p h a s ei n v e r t e r s o f t s w i t c h i n g r e s o n a n tt r a n s i t i o n s p w m 8 x c l 9 6 m c 两北工业人学硕卜论殳第一学绪仓 第一章绪论 在电力电予学中，将直流电变为交流电称为逆变。实现逆变功能的电力电 子变换器称为逆变器。现代逆变器技术作为电力电子技术的一个重要分支，茌 各种工业l 产、交通运输和家用电器等领域l 与有十分重要的地位。工业发达因 家应用逆变器技术的电力传动系统大约消耗全部f 乜能的5 0 ，并且每年以很快 的速度递增。 根据直流输入端是近似电压源还是近似电流源逆变器分为电压源逆变器和 电流源逆变器。在实际的应用中，电压源逆变器得到了3 + 泛的应用。逆变器的 输出理论上可以是多相的交流，但最常用的是单相逆变器和三相逆变器。 1 1 硬开关逆变器的局限 到目| j 为止，电压型逆变器主电路结合硬开关p w m 技术是逆变器交流传 动系统实现可变频、变压的技术核心。 逆变器根据其开关特性可分为硬开关技术与软开关技术。在常规的p w m 变换器小，功率丌关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处于强迫 丌关过程，这种开关过程称为硬开关过程。硬开关过程存在以下一一些主要缺陷。 丌关损耗 由于功率开关管并不是理想开关，丌和关不能瞬时完成，需要一定的时1 1 = ；j 。 在这段时问里，在刀：关管两端电压减小的同时其上通过的电流同时上升，形成 电压和电流波形的交叠，从而产生了功率损耗。丌关管的丌通损耗和关断损耗 分别等于在开通和关断时间里开关管两端的电压和电流乘积的积分，即 = v 文d tw 州= 譬v 文d l ( i - i ) 则一j 司期丌通和关断的总损耗分别为： p m t2 ，f 。，p 。= 删 0 1 - 2 ) 式中，。，为开通时问，锄为关断时问，：为丌关频率。显然，随着丌关频率提 高，川关损耗将诈比地线性上升。 龋北l 。业人学倾f 论文 钾章绪论 在功率开关开通和关断过渡期间会给开关管造成很大的电压或电流应 力，同日寸严重的d i d t 和d v d t 将会产生电磁干扰( e m i ) 。 电路中的寄生参数的影响以及寄生参数之间的震荡，使开关管在硬丌关状 态下的丌关环境进一步恶化。当开关管s 导通时，其上输出电容c 上的储能将 通过开关s 释放，一方面增大了开关损耗，一方面在开关管s 中产生巨大的电 流尖峰；另外极高的硪出将产生严重的电磁干扰噪声，该噪声会通过m i l l e r 电容耦合到驱动电路和控制电路，造成系统工作的不稳定。当开关管s 关断时， 寄生电感与寄生电容产生谐振，一方面产生一高电压加在开关管s 上，影响了 s 的安全运行，另一面加大了开关管的关断损耗，另外，很大的咖衍会产生严 重的电磁干扰噪声。从发展的角度来讲，这种电路有改进的必要。 1 2 软开关逆变器 1 2 1 软开关逆变器提出 近年来，随着个人电子计算机、通信设备、微小型电器设备的发展，以及 空间技术应用的需求，要求p w m 变换器具有更高的开关频率，例如几m h z 或 l 十m h z 。因为提高开关频率可以减小装置的体积和重量，提高变换器的整体 效率。功率开关管的发展为变换器开关频率的提高提供了可能。 然而，随着开关频率的提高，硬开关逆变器又产生新的问题： 在功率丌关_ 刀：通和关断过渡期间的开关应力( 很高的电压和电流峰值) ，将会 导致器件的安全工作区( s o a ) 减小。 开关损耗加大，且开关损耗随开关频率的上升会难比的增加，使得电路的效 率大大的降低。处理功率的能力大幅度的减少：无源器件的损耗较大。 严重的d i d t 和d v d t 将会产生电磁干扰( e m i ) 。 为了克服前述硬丌关p w m 逆变器带来的诸多问题，8 0 年代以来软丌关技 术得到了深入广泛的研究并在近年来得到了迅速地发展。 所谓的软丌关2 1 通常是指零电压丌关z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 和零l 乜 流丌关z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 。即通过电感l 和电容c 的谐振，使开关器 件中的电流( 或两端的电压) 按正弦规律或准正弦规律变化，当电流自然过零 2 硒北r 业入学坝卜论史第誊绪仑 时，使器件关断，当电压下降到零时，使器件导通。丌关器件在零电压或零电 流条件下切换，理论上损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型 开关器件的条件下，谐振软丌关电路可以很轻松地在高个或几个数量级的 开关频率下工作。高的) r 关频率使谐振软肝关电路具有i ：多明锃的优点，如低 噪音，低电磁干扰( e m i ) ，输出波形的偕波成分少；另外，山_ ，j 丌关器件在零电 压或零电流条件下动作，开关器件的动态过程大为改观。这使得缓冲电路成为 多余，散热器尺寸明显减小，从而使设备尺寸及重量也随之大量减小，丌关器 件可在高可靠性和高效率条件下：工= 作。总而苦之，人们过去在硬开关p w m 咤土 路设计中追求的许多目标，在软开关条件下都很容易实现。 1 2 2 软开关逆变器的发展现状 软开关逆变器技术为电力电子的研究前沿之，它的实现大大地减少了主 开关器件的开关损耗、减少了逆变器装置对环境的电磁干扰，尤其在向高频化 和大功率方向发展时的优势明显。但是软开关技术也增加了装置控制的复杂性， 对其控制工作的可靠性也有较高的要求。 到目前为止，大多数讨论谐振软开关逆变器的文章仍能称为下一代逆变器， 主要是因为在大功率范围内应用时，这种类型的逆变器仍能存在着一必需要解 决的重要问题1 3 1 ： 软开关技术的基础是由电感和电容及辅助丌关组成谐振电路来实现j 三 功率器件状态切换时所需要的零电压或零电流条件，而谐振电路谐振时所 产生的高电压和高电流应力，是人们所不希望遇到而又必须加以解决的。 如果谐振电感处于主功率传输通道( 直流母线) 上，在大功率和很高 的谐振频率下，势必引起感性损耗。 辅助谐振环节的引入，以及为了解决以，j ：两个问题而引入的其他辅助 器件，将使得整个电路的实现过程变得复杂起来，增加了电路控制的难度。 众所周知的脉宽调制p w m 技术是软开关逆变器中- 一一个重要的控制投 术，那么如何把谐振软卅：关技术和p w m 技术结合起来，又是一个非常蘑 婴的关键所在。 西北t 业人学颂l 论文 第一章绪论 1 2 3软开关逆变器拓扑结构的分类 近十年来，研究人员提出了许多软j 1 。关技术逆变器的f 乜路拓扑，按软丌必 逆变器拓扑结构分类可以分为如图1 1 所示的几大类i 3 ) ： i i 磊面夏五i 1 - _ i 兰竺! ! 竺兰竺li 堂堂兰苎塑兰ll 塑：兰_ _ ：蹩蹙 t n 溉濒逆蹙器卜jl 鲋鞋使载4 擞蹙溉h 、* 擞ll ：l i 溉蟒扪列 蛳辨教j 照蹙ll 鞘髹i 裁收潍蹙l 轼玎笼埘瓣 + 辫m 蹲蹙 a 漱碍* 目麟浦 阁1 1软j | 长技术逆变； 分类 负载谐振( l o a dr e s o n a n c e ) 把l c 谐振网络以串联或并联的方式加在负载侧，为逆变桥主功率丌关器件 创造一个z v s 或z c s 条件。而d c 总线侧的电压或电流波形保持不变。 谐振过渡( r e s o n a n tt r a n s ili o n ) 把l c 谐振网络加在逆变桥h ，开关l 二的寄生电容也成为谐振模式的部分， 为主功率开关器件创造一个z v s 或z c s 条件。而输入端i ) c 总线波形保持= ：i l i 变。 谐振环节( r e s o n a n ll i n k ) 把谐振网络加在输入d c 源和逆变桥之1 1 j ，这样输入总线，l 的电压就成为一 个脉冲序列，为功率丌关器件创造软丌关技术条件，所以它和传统意义门p _ v m 系统，有着较大的区别。 1 2 3 1 负载谐振逆变器 4 两北t 业人学坝1 论文 第一章绪论 喈振网络和负载相连，在整个开关周期内( t s = l f s ) 以频率f r 进行振荡， 这种负载上振荡的电压和电流就可以为逆变桥中的主功率器件创造z v s 或z c s 条件，逆变桥可以是半桥或全桥结构。一般情况下，分为两类：第一串联谐振 拓扑结构：谐振网络和逆变桥串联，逆变桥给谐振网络提供一个方波电压。负 载和谐振网络之问的连接是多种多样的，串联并联混合谐振结构( 如串并、 并串和多谐振) 。第二并联谐振拓扑结构：谐振网络和逆变桥并联，逆变桥给 谐振网络提供一个方波电流，同样，负载和谐振网络之间也可以是串联或并联。 负载谐振逆变器主要适用于连续负载，谐振发生在整个开关周期。为了缩 小输出电压畸变，通过对f s 的微小变化而获得较宽的输出电压范围，谐振嘲络 的品质因素q 必须尽可能地高。品质因素q 的定义如下： q ：堡攀黧姿氅掣( 1 - 3 ) 。 每周期消耗的能量 从式( 卜3 ) 中可以看出，当要求品质因素q 较高时，必须使谐振环节的能 量储存峰值增大，即谐振元件容量加大。由于谐振元件放置在主功率传输通道 上，所以该类型逆变器中的各个元器件都要承受较高的电压和较大的电流。因 此，串联谐振逆变器应用的最大功率就受到了一定的限制。但在谐振频率附近， 负载谐振逆变器能够提供易于调节的输出电压，这时，负载上的功率因数接近 于l ，而且功率器件上的电压和电流变化率较小。 1 2 3 2 谐振过渡逆变器 在这种逆变器中，输入总线电压或电流是固定不变的，而软开关条件的实 现是通过逆变开关两端的电压和电流谐振而产生的。理想状况下，谐振只发生 在开关过渡的瞬间，而且应该使谐振电路在功率传递到负载的过程中吸收的能 量达到最小值，当然谐振能量一定要足够大( 与负载的变化无关) ，以满足产生 z v s 或z c s 的条件。 这类逆变器包括极谐振电路、谐振吸收电路、准谐振电路和软丌关过渡技 术的p w m 转换( z v 和z c t ) 。 ( 1 ) 极谐振逆变器( r p i ) 1 4 1 两北工业大学坝i 一论文 第一常绪论 极谐振技术的最早应用是在d c d c 变换器l ；卜l ，但后来在d c a c 逆变器中被 证明也是种较方便的方法。这一类逆变器的共同特点是：辅助谐振电路放置 在逆变桥上。对于三相逆变器来说，辅助谐振电路山原来的一组变为三组，即 每桥臂均配有一组，通过辅助谐振电路，使每相极点( 即每桥臂上下丌关器 件连接点) 电压产l 三谐振，从而为丌关器件创造了零电压导通条件。图1 2 给i “ 了一个单相极谐振逆变器( r p i ) 的原理图。工作过程简述如下：设主开关器件： 的电压是u s ，谐振电感不断地被极电压u s 所充电和放电，且供给负载一个交变 的电流，电感l r 和电容c r 的谐振只发生在极电压反向瞬间。 假设s 2 导通，s 1 处于关断状态，为了激活r p i 工作过程，s 2 在z v s 处关 断，并联谐振电感l r 在两个谐振电容c r 之闻进行能量的交换。s l 上的电压达 到零点时由二极管d 1 导通，对负载电流进行续流。这时，谐振电感被直流电压 充电至u s 2 ，且s 1 可在此刻实现z v s 导通。事实上，由于谐振过程仅仅只发生 在开关周期的极小一部分，这种拓扑结构也被称为准谐振z v s 。 = “、俑j 一 蠕卜： ：f ：fs i 极谐振逆变器发展的最大障碍是开关的冲击电流，这是山于为了给：t - ：jr 关 器件创造一个z v s 的条件，必须使电感电流足够大以满足和谐振电容之问的能 量交换，由此而引起开关【二的电流峰值至少是负载电流的2 倍。所以功率器件 的感性损耗可能要比传统意义上的p w m 逆变器高出很多，而h 导致了过高的元 器件成本和过低的开关利用率。另一方面，对二f 那些较轻的负载，电感u 流还 堕j ! ! 些= ；苎；堂堡! ：堡兰 兰= 空堡垒 不一定会有效地创造出z v s 条件，使得逆变器的带载能力范围受到了限制。还 有，由于谐波电感和负载串联，所以这种结构的逆变器似乎也不适合于电动机 的驱动。 ( 2 ) 谐振吸收逆变器 谐振吸收逆变器也称为辅助谐振转换极逆变器( a r c p i ) ，其基本结构如图 1 3 所示。在该电路中，对应每一相，都有一个l c 的谐振转换环节。谐振转换 电路包括谐振电感l r 和并联在每个主开关上的谐振电容c ，。c 一主开关为自 关断器件。其工作原理也非常容易理解：假设负载电感l 1 远大于谐振电感l r ， 那么在主，1 ：关换向瞬间，负载电流可以看成是一恒流源，初始状态“为图示方 向，开关s p 处于关断，二极管d n 处于续流状态，即主电流f 0 流过d 。丌通v 1 及s 一谐振电流f f 开始线性增加，当到达f 0 时，流过d 。的电流变为零，f ，一 f 0 的差值流过丌关s 。，当i 一f 0 升高到整定值时，关断s 。，谐振开始，在谐振 期问，输出电压“。从零增加，当“。等于“。时，丌关s p 就可以在零电压卜开通， 同时f ，下降为零时，在零电流条件下关断v 1 。关于这种类型的逆变器的发展和 应用请参阅参考文献 2 。 ( 3 ) 软开关过渡p w m 逆变器( z v t p w m 、z c t p w m ) ： 软丌关过渡技术的概念最初的应用出现在a c d c 和d c d c 变换器中，后来 才被扩展到d c a c 逆变器中。这种结构综合考虑了p w m 技术和软开关技术的优 点。在这种模式的逆变器电路结构中，直流总线上的电压电流是固定不变的， 而逆变桥则采用传统的p w m 调制方式，增加了一个辅助的谐振电路。 辅助谐振电路只工作在逆变桥开关的切换瞬间，而开关周期的其余时间维 持p w m 调制的特点。辅助开关的工作过程一定要和p w m 控制同步。 z v t - - p w m 逆变器 其三相电路如图1 4 所示。当主功率刀：关零电压零电流过渡换向的时候， 辅助盯关s ，导通，经过二极管d m 把多余的电感能量反馈网直流侧。所有的二 极管均在零电流条件下导通或关断，而主功率丌关在零电压条件f 切换，这样 丌关损耗将会显著地降低。 两北t 业人学坝十论文 笫尊绪论 z v t - - p w m 拓扑结构主功率器件通常选用m o s f e t 或i g b l 、。它们的寄生电容 将成为谐振网络的一部分。所以这种电路可以：i ：作在很高的丌关频率下，除了 主功率丌关切换过渡的瞬问，这种电路的工作过程和传统意义i 二的p w m 电路完 全类似。显然，谐振电感上n 和逆变桥j 二电容( e l c 6 ) 之问的谐振是有源”关 获得零电压切换的必备条件。由于所有的有源器件z v t 丌关过程都处于p w m 操 劁i 一1z v l 、一i w m 逆变器矧1 5 嬲ip w m 逆变嚣 作过程当中，所以相对于传统的p w m 电路，这种拓扑电路中的j t ：关顺序就显得 比较复杂。在这种电路结构中，由于负载电感不是逆变器零电压j 作的一部分， 所以该电路可以用于电动机驱动。 z c t p w m 逆变器 其三相电路如图1 5 所示。该逆变器电路实际卜是评 i 在大功率品闸管型 逆变器中所使用的电流脉冲强迫换流电路的改进。电感氏和电容c 。之间的谐振 给逆变桥上的有源开关在零电流条件下的关断提供了一个冲击电流。这就要求 强迫给电路中丌关上的电压变化峰值要比d c 总线上的电压高出很多。为了在 z c s 下换向，逆变桥中每个桥臂都需要两个辅助开关，两个续流二极管和一个l 乜 阻见。当然，这种器件数量的增加无疑使得电路的工作过程变得复杂起来。 z c t - - p w m 逆变器优点是：由于所有的有源开关都是在z c s 条件下开通或关 断，显著减小了有源开关和所有二极管上的电压电流变化峰值。另外和电流脉 冲强迫换流电路相比，辅助电路谐振中的循环能量将随负载电流的变化而被调 整，但并不损耗，所以电流峰值大约只有负载电流的1 ，1 倍，而且辅助电路- t 一 的电感损耗也明显地减少。然而，z ( ：t - - p w m 逆变电路也存存着不足之处：逆变 两北1 业人学硕i 。沦文 第章绪论 桥上的二极管和辅助开关都不是软关断，而是在定的负载电流下关断，所以 关断损耗对该电路来说是一个需要解决的问题。 一般特性： 对于z v t p w m 逆变电路，当辅助网络：1 ”：作时，无论是从直流侧还是从负载 侧来看都是一个并联谐振网络，而对于z c t p w m 逆变电路，却是一个串联谐振 网络。这两种电路中逆变桥上的丌关都各自独立地在z v s 或z c s 条件下丌通或 关断。然而在z v t p w m 逆变电路中。辅助开关和所有的二极管只能在z c s 条件 下开通或关断，而在z c t p w 逆变电路中，辅助开关和逆变桥上的二极管却都 是在一定的负载电流下进行硬关断。另外，在这两种电路中，谐振网络开关的 位置和谐振吸收电路的拓扑结构很相似。近年来，对这种逆变器不断探索改进 的主要目标是使这种电路的工作特性更接近于传统的p w m 电路。 1 2 3 3 谐振环节逆变器5 1 在谐振环节逆变器的电路中，谐振环节位于直流总线上。根据该谐振环节 的结构特性和丌关模式，此种逆变器又分为以下两种类型： 谐振交流环节逆变器( r e s o n a n t a c - - l i n k i n v e r t e r - - r a c i t ) 指的是谐振环节的输出是交流的电压或交流的电流，从而给逆变桥j ：的开 关提供了z c s 或z v s 条件，同时也就要求逆变桥 ：的开关必须是双向器件。 谐振直流环节逆变器( r e s o n a n t d c l i n k i n v e r t e r r d c l l ) 1 9 8 6 年e i v a n 博士首次提出了直流( d c ) 环节谐振型逆变器这一- 概 念，它是指在逆变桥和直流母线之间加 一个辅助谐振回路，该谐振回路谐振 使得输入到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i 乜压， 该谐振脉冲电压周期地在其谐振峰值与零点之舡j 震荡，从而周期性地产生零电 压时间间隔，为其后的三相逆变桥提供零电压通断条件。 其中r d c l i ( r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r ) 的电路拓扑结构及控制策略在所有 的直流( d c ) 环节谐振型逆变器中是最简单的。仅需增加+ 个电感和卜个电容， 就可以使原来的p w m 电压型硬丌关逆变器的丌关频率提高个数量缴，并进 而带来系列的好处。 堕j ! 三些叁堂! 塑! ：丝兰 1 3 本论文的研究任务 第章绪论 本论文的主要任务包括：对赢流环节谐振软丌关逆变器拓扑的分析研究、 软开关逆变器控制策略的实现。 三相软丌关逆变器拓扑的分析研究：本论文从实用的角度出发，对现有 直流坏节谐振软丌关逆变器拓扑进行详细的分析和研究，针对如何把谐振软门： 关技术和p w m 技术结合起来这一关键问题，找出一个解决这一问题有效的办 法是谐振过渡技术。 把谐振过渡软开关技术应用于直流环节逆变器得到了利新的谐振过渡软 开关逆变器：论文对该新型谐振过渡软开关逆变器进行了工作原理、效率分析 并对主电路进行了仿真。 三相软开关逆变器控制策略的实现：众所周知，i f 弦波脉宽调制 ( s p w m ) 的逆变器具有结构简单、电网功率因素与逆变器输出电压无关、动 态响应好、输出电压波形近似为正弦波和系统调速范围宽等特点。s p w m 的波 形生成方法一般有4 种：自然采样法、规则采样i 法、规则采样i i 法和直接面 积等效法。前三种比较常用，后一种经研究，它具有控制精度高、输出正弦波 形好、开关点实时计算并不复杂。近年，由于微电子技术的发展，p w m 变频渊 速技术获得了空前的发展。本文以新型偕振过渡软) f 关逆变器为对象，以 8 7 c 1 9 6 m c 为核心用单片机c 语言来软件产生s p w m 波形控制逆变桥末7 l ：关， 同时又用硬件电路实现了辅助开关的控制，从而实现整个系统的控制。 两北下业人学硕j 一论文 第二章直流环节谐振型逆娈辫 第二章直流环节谐振型逆变器 2 1 谐振直流环节逆变器r d c l i 图2 1 为谐振d c 环节三相逆变电路原理图： 由图可知，该逆变器由三部分组成：电压源r ，谐振槽路l c 及三相逆变 桥。与普通的电压型逆变器不同的是，功率流向逆变桥必须经过l c 谐振槽路， 这样输入到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， 该谐振脉冲电压周期地在其谐振峰值与零点之间震荡，从而周期性地产生零电 压时间间隔，为其后的三相逆变桥提供零电压通断条件。 图2 1 谐振d c 环节三相逆变电路原理图 2 1 1 谐振d c 环节的基本原理 在下面的分析中，在讨论l c 谐振过程中将把逆变器作为一个整体，把负 载电流，。的影响考虑进去。当负载电感足够大，即假设负载电感远大于谐振电 感l 时，负载电流在一谐振周期内近似不变，其数值取决于各相电流的瞬时值 和逆变桥六个开关的开关状态。这样图2 1 可简化为图2 2 。 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充电阶段：在这个阶段，开关s 导通，电容电压1 ， 被嵌位在零，电感电流在直流供电电压k ，的作用下按指数增长，当f ，= ，。时， 充电阶段结束。这里，。为电感的予充电电流闽值，目的是补充l c 谐振i 乜路在 一个凿振周期中的能量损耗。 第二阶段l c 谐振阶段：该阶段从f ，= i 。丌始，定义这个阶段的初始时刻 为t = 0 ，在这个时刻关断墨，之后v 。从0 开始增长，当v ，再次谐振到零时，第i 二 互北r ：业人学倾i 论义 第。帮直流叫、1 n 削糖掣逆馊措 阶段结束，这时开关s ，再次导通，开始下一周期的第+ 阶段。 厂一抖1 l l c ) 】 叫 rji 图2 2r d c l i 的等效电路模型 2 1 2对r d c l i 的几点讨论 1 。( = ，0 一，o ) 对电路的影响 谐振d c 环节的动态工作过程与负载电流，。的关系并不大，而主要取决于 j 。( 。，= j 。一，。) 的大小，当，。值过小时，将可能使v 。回零失败，从而造成 整个谐振d c 环节逆变器工作失败。因此在实时控制过程中，应不断地检测负 载电流，。，当，。变化时，使电感的予充电电流阈值，。也随之变化，从而保证，。 有足够大的数值，使v ，能正常地回零。当然这样必然增加控制，【二的复杂性，并 且对于r d c l i 这样的电路拓扑结构，完成这样一个任务实际上是无法胜任的。 一个简单的方法是已知负载电流，0 变换范围的前提下，确定一个不变的，。，陔 ，。应能保证在厶为其最大值时，仍然使，。有足够大的值保证v 。能谐振吲零。 这样做的缺点是，当，。减小时，。将增大，而，。的增大将造成v 。谐振峰值的增 加。事实上，由于直流母线谐振，r d c l i 逆变桥开关器件一般承受2 3 倍的直 流供电电压。这是r d c l i 的最主要的一个缺点，这意味着，与常规的硬丌 关p w m 电路相比，r d c l i 的逆变器，r 关器件要选择更高的电压额定值，而这 势必造成整个装置的重量、体积、成本的增加。 2 谐振电感l 损耗 r d c l l 通过使直流母线谐振，为逆变器创造零电压通断条件，从而大人地减 小了逆变器的丌关损耗，它为此付n j 的代价是增加了。个i 。c 谐振电路，强然， 只有在l c 谐振电路本身的损耗小于逆变器的，1 ：关损耗的前提f ，r d c l i 的设 汁方案爿是有意义的。l c 谐振电路的损耗主要来自于谐振电感l ，f 高频：伏 堕j ! ! ：些叁堂塑：! 丝兰 塑：堂鱼堕= ! j ! ：羔! 堕坐型丝壅鲨 态一卜的趋肤效应，这个损耗将随工作频率的捉商而增大，冈此r d c l i 的谐振电 感要进行专门地设计。 3 r d c l i 输出电压的p w m 渊制 很明显，对于r d c l i 来说，逆变器的开关器件的丌关时刻将不仪仅某种 凋制策略决定，同时还要看d c 环节电压是否已谐振到零点。山就是说，在这 种情况下，丌关时刻在时问轴上成为了一些不连续的点，l 到此在应用各种常舰 的p w m 调制策略时都将带有一定的时间误差。这是谐振d c 环节逆变器的另 一个缺点。 2 2 直流( d c ) 环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 谐振d c 环节有两个基本的缺点：一个是直流( d c ) 环节谐振电压峰值过 高，从而大大地增加了后面的逆变桥开关的电压应力；另个是，由于d c 环 节不再是稳定的直流电压，而是一系列脉冲。因此用于逆变器输出电压控制的 各种p w m 调制策略都有一定的误差，这使得输出电压中有大量的低于d c 环 节谐振频率的频谱成分。丽p r d c l i 去掉了r d c l i 所具有的两个缺点，逆变桥 开关器件所承受的最大电压被限制在直流供电电压，开关器件的开关点可以 选择在任何时刻。唯一要做的是在逆变桥开关器件动作之前，通过谐振环节丌 关器件s s 。的先后动作使d c 环节预先谐振到零，从而为逆变桥开关器件创 造零电压条件，显然常用的一一些p w m 调制策略都可以很容易地在p r d c l i1 - 实现。图( 2 3 ) 为宜流( d c ) 环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 的原理圈。 2 2 i d c 环节并联谐振逆变器p r d c l i 的基本原理 如果考虑到逆变器有较大的输出电感，则在每一个谐振周期，p w m 逆变器 及其交流侧负载可用一个电流源来，。代替。设电路的初始状态为：丌关s 。，s ，处 于导通状念，丌关s ，s 。处于关断状态。直流电压r ，通过s 给p w m 逆变_ ； 提 供能爨。这时烂个系统和常规的p w m 电压型逆变器【作过程一样。当p w m 逆 变器的丌关器件需改变其状态时，p r d c l i 包路将受到激励，然后进入潴振状 态，产， i 零电压问隔，为逆变桥丌笑_ ； 件创造出希望的零t 乜压条件。之j j 结束 谐振，旧到初始的稳定状念。这个过程前先从s 、的导通盯始，s ，导通后，f u 感 电流i ，在，作用下从零线性增艮。当j ，= ，时，关断j r 关s 。这艰为1 乜感 【! 堕! ! ! ：些叁堂塑! ：堡兰 笙= 兰塑! ! 型：翌堕堡型丝些坚 流的初始值，它是负载电流及其他电路参数的函数，这个值应足够大，保证d c 环节谐振电压能重新回到。s 。关断后，电感l 将与电容c 和c ：产生谐振。 当谐振到零时，导通开关s 。，关断丌关s ：。之后d c 环节电压将被嵌位在零值， 为逆变桥开关器件创造零电压时间阳j 隔，而电容c 将与电感l 继续谐振。! - i 也 图2 3p r d c l i 电路原理图 容电压k 重新谐振到零时，关断开关s 。，之后电感l 重新与c 和( 1 ，谐振。尚 k ”k ，：谐振。卜升到等于，时，导通开关s 。而当i ，谐振i j l 零时，关断丌关r 。 这时电路重新回到开始时的稳定状态。 2 2 2 对p r d c l i 电路的两点讨论 1 电路中开关器件的选择 为了使逆变器输出电压有一个良好的输出波形，为了充分地利用直流电源 屹，p r d c l i 的谐振频率f 应远大于逆变器的开关频率，或说应远大于p w m 调制的载波频率。由于p r d c l i 的谐振频率远大于逆变器的丌关频率，因此， 通过丌关s 是的脉动电流峰值不会对器件的电流额定值带来太大的影响。同 时，谐振过程中p r d c l i 电路中的四个开关器件的电压和电流应力是不样的， 因此，在实际应用中，这四个开关器件应选择不同的电力电子器件。 2 p r d c l i 的控制策略 p r d c l i 的控制系统包括两个控制回路，一个是p w m 逆变器控制网路，另 一个是谐振电路的控制阴路。 在p w m 控制网路l _ | _ i ，无沦是标准的难弦波、j 二角波形式的p w m 调制策 略，还足耘于谐波消除的p w m 调制策略都司+ 以被选f h ，去产q i 需要的具有某 西北丁业人学硕卜论文 笫二章直流环节l 皆振型逆变 ： 个幅值和频率的输出波形。事实上，这早的p w m 控制回路与常规的p w m 的 控制嘲路是非常相似的，唯一不同的是前者需要附加一个逻辑控制电路，目的 是使逆变器的丌关器件把导通或关断的时刻滞后一段时问已确保只有在d c 环 节电压为零时才改变状念。 而谐振电路的控制回路中应包括逆变器输入电流l 的预测电路、谐振电路 电感电流初始阈值，。计算电路，这两部分对于p r d c l ii 乜流的成功是非常重要 的。，的值应足够大，保证v 。能谐振吲，但，的值取得过火，会使，。和 k 。增大，从而为丌关器件带来过高的电压和电流应力。显然，。的最佳选择 是随着。的变化。 2 3 直流环节谐振型逆变器的p w m 控制策略 从前面的讨论可知，r d c l i 这类直流( d c ) 环节谐振型逆变器与常规的 硬丌关p w m 逆变器相比，最大的不同是：前者的直流环节输出为系列的电 压脉冲，而后者的d c 环节输出为一匣定的直流电压；而且为了能够在零电压 下实现逆变器开关器件的通断，前者的开关时刻必须选择在其直流环节谐振电 压为零时，这意味着其开关时刻在时间轴上成为不连续的点，而常规的硬，r 关 p w m 逆变器却可将丌关时刻选择在任意的时刻。因此，从这一角度考虑，开关 时刻在时间轴上仅为离散点的直流环节谐振型逆变器，采用常规的p w m 调制 策略( 如正弦p w m 调制的自然采样法、规则采样法及通过先离线计算的次谐 波消除法等) 将不是最优的方案，高性能的p w m 调制策略极大地取决于丌关 角确定的高分辨率。对于常规的硬开关p w m 逆变器，理论上其开关角度具有 无限高的分辨率，即其开关角度的确定可以非常精确，因此尽管常规的p w m 调制策略在实现上有一定的难度，但是得到的补偿是可以在允洎：的丌关频率下 最大限度地消除输出波形中谐波成分。然而这些常规的调制策略对于直流环节 谐振逆变器就很不合适，因此，需要找出一种适合于处理离散脉冲而又简单易 行的调制方式。这就给逆变器的p w m 调制策略的应用带来一些新的问题，解 决这一问题方法有二：一是设法找出适合于这种逆变器的凋制策略，如d e l t a 型调制器、最优离散脉冲调制法、相邻空问电流矢量调制法等：j 是列自流环 节谐振逆变器的拓扑结构进行讨论研究。 两北丁业大学坝i 论文 第三蕈新型软开关逆变措 第三章新型软开关逆变器 3 1 谐振过渡软开关技术 直流( d c ) 环节并联谐振逆变器( p r d c l i ) 也叫准并联谐振直流环节逆 变器，电路1 4 1 的优点是减少了开关在潴振其问的电压应力和。定程度的电流应 力，同时谐振过程的发生和终止可以在一定的时间范围内控制，从而为实现 p w m 技术提供了可能，但这些电路的共同缺点是需要在电感电流中预先设定一 个或几个和辅助开关控制有关的闽值，谐振的发生才能达到预期的工作过程， 而这些闽值通常情况下与负载电流有关，这就给电路在全负载范围内的实现带 来了困难。 为了解决准并联谐振直流环节逆变器所遇到的问题，可将z v t ( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o n ) 或z c t ( z e r o c u r r e n t t r a n s i t i o n ) 技术应用于电压源逆 变器中。 z v t 或z c t 技术首先应用于d c d c 变换中 】。在d c d c 变换中，各种软 开关变换电路，包括准谐振变换电路、多谐振变换电路、零电压丌关p w m 变 换电路、零电流_ 丁i ：关p w m 变换电路等，通过在常规的p w m 硬开关变换电路 的基础上加上辅助谐振回路，利用电路中的谐振，使通过歼关器件韵电压或电 流呈准正弦波形，从而为丌关器件的导通或关断创造零电压或零电流开关条件， 实现了软开关，有效地减少了开关损耗。然而它们共同的问题是在实现了电路 的软开关的同时又带来了很多的不足：首先，与常规的硬开关变换电路千h 比， 它们毫刁i 例外增加了电路中开关管的电压和电流应力，使得电路中的导通损耗 明显地增加，从而抵消了开关损耗降低的优点；同时，辅助谐振电路中的电感 和电容由于电应力造成体积增大，也部分地抵消了功率变压器和滤波器件体积 重量的减小；另外，一般的软丌关电路都是把谐振元件放在主功率通道j i ，这 就不可避免地会产生以下问题：首先，m 于潴振电感要承受两方向的电压，因 此给电路中的开关器件增加了额外的电压应力；其次，i i ij 二前部能量通过凿振 电感，使得电路中存在很大的环流能量，而这个很大的环流能量必然会增加电 路熬体的导通损耗，谐振电感位于主功率通道上还使电感储能极大地依赖1 二输 口q 北t 业大学f ! ! j 1 论殳 笫：章新型软开关逆变器 入电压和输出负载，电路很难在一个很宽的输入电压和输 1 1 负载范围内实现软 开关动作。 为了解决上述软开关变换电路中的诸多问题，提出了零转换( z e r o t r a n s i t i o n ) 变换电路。零转换电路根据主功率开关器件是零电压开关还是零电流，f ：关又分 为零电压转换( z v t ) 和零电流转换( z c t ) 电路两种。 把z v t p w m 或z c t p w m 技术引用二 = 电f l i 源逆变器小就构成了一种谐振 过渡软丌关技术。 谐振过渡软开关变换电路的基本构想扣1 是：在保持传统的p w m 逆变桥工 作方式不变的情况下，外加一个辅助谐振电路，辅助谐振电路仅仅工作在逆变 桥主开关状态过渡的瞬间。为逆变桥上的所有的开关和二极管的状态过渡提供 软开关条件，辅助开关的功率很小。它的特点是把辅助谐振网络从主功率通道 上移丌，变为与主功率_ 丌关器件并联。在主功率开关器件变换的很短的段时 问间隔内，导通辅助开关管使辅助谐振网络起作用，为主功率丌关器件创造零 电压或零电流开关条件。转换过程结束后，电路返回到常规的p w m 工作方式。 由于辅助谐振网络与主功率开关器件并联，因而在使主开关器件软开关动作时， 并没有增加过高的电压和电流应力：同时，辅助谐振网络并不需要很大的环流 能量，因而减小了电路中的导通损耗另外，谐振网络所处的位置使其可以不 受输入电压和输出负载的影响，电路可以在很宽的输入电压和输出负载变化范 围内在软开关条件下工作。所有的这些特点使得谐振过渡软丌关电路成为目前 在工程实际应用中最有发展前途的功率变换电路拓扑之一。 前面提到的谐振过渡软开关逆变器就应用了该思想，这类逆变器包括极谐 振电路、谐振吸收电路、准谐振电路和软开关过渡技术的p w m 转换( z v t 和z c t ) 电路。极谐振电路的缺陷在前述的软开关分类中。一说明，软开关过渡技术的p w m 转换电路只是在电路结构上比极谐振简单了些，其控制方法仍然很复杂。刁i 过若是把谐振过渡软7 r 关思想应用到直流环节逆变器可能会得到更好的效粜。 3 2 d c 环节z v t 三相电压源变换器 为了解决准并联谐振直流环节逆变器所遇到的问题，有人将z v t p w m 或 z c t p w m 技术引用于电压源逆变器中，并结合直流环节软硼：关逆变器捉了 堕j ! 王、业尘堂堡主丝壅 塑兰至堑型墼! ! 茎望壅竖 直流母线软开关电压源逆变器电路0 1 ，其电路原理图如图( 3 1 ) 所示。该电路 最大的优点是不需要设定电感电流的阈值，谐振在电感电流等于负载电流的时 候会自然发生，从而使电路中辅助开关的控制容易了许多a 但是电路也存在着 两个不足：一是辅助丌关的关断是硬关断，二是存在硬开关区。 图3 1d c 环节z v t 电压源逆变器原理图 3 3 新型软开关逆变器直流母线并联谐振零电压过渡三相 p w m 电压源逆变器 谐振直流环节逆变器电路虽然结构简单，控制容易，但存在着开关电压应 力较高( 1 2 v 。) 、谐振电感损耗较大、及由离散脉宽调制引起的谐波等问题。 准并联谐振直流环节逆变器电路的优点是减少了开关在谐振期间的电压应 力和一定程度的电流应力，同时谐振过程的发生和终止可以在一定的时问范鹾i 内控制，从而为实现p w m 技术提供了可能，但这些电路的共同缺点是需要在 电感电流中预先设定一个或几个和辅助开关控制有关的阈值，谐振的发生才能 达到预期的工作过程，而这些阈值通常情况下与负载电流有关，这就给电路在 全负载范围内的实现带来了困难。 上节所述的直流母线软开关电压源逆变器电路，其最大的优点足不需要设 定电感电流的闽值，谐振在电流等于负载电流的时候会自然发生，从而使i u 路 中辅助丌关的控制容易了许多。但是电路也存在着两个不足：一是辅助丌关的 关断是硬关断，二是存在硬开关区。 把谐振过渡软开关技术应用到直流环节逆变器上又提出了种用于兰棚i b 西北。r 业人学顺l 论文 第_ 章新型软开关逆受精 机驱动的直流母线并联谐振零电压过渡电压源逆变器1 1 8 1 ( d c r a i lp rz 、，t v s i ) 电路如电路图3 2 ，该电路弥补了上面的不足，且具有如下的优点：所 有的开关均为z v s 或z c s ：电路中虽然需要增加三个辅助开关，但功率要求较 小，并可实现电机的四象限运行；谐振自然发生，不需要设定阈值；逆变 桥中的续流二极管也是软开关：谐振过程所用的时间短；可以实现p w m 和 s v m 调制技术。 3 3 1d c r a i lp rz v tv s i 电路和工作原理 1 电路结构 本文采用的d c r a i lp r z v tv s i 电路如图3 2 所示。该电路在传统的直流