极谐振软开关过渡三相PWM逆变器研究新进展

极谐振软开关过渡三相PWM逆变器研究新进展
  摘要：软开关技术在DC/DC变换，单相DC/AC变换方面得到了很大的发展并获得了大量的实际应用，在三相DC/AC逆变器方面，研究人员也作了大量的工作，提出了许多的电路拓扑。本文尝试对几种最有可能实际应用于三相电机驱动的软开关逆变器电路（ARCPIZVT－PWMZCT－PWM）进行了分析和描述，给出了典型电路及有关的波形，并分析其优缺点。
  关键词：软开关谐振过渡零电压零电流逆变器
  Resonant Soft－ switching Transition
  Three－ phase PWM Inverter
  Abstract: Soft－ switching techniques have recently been developed and applied widly in the DC－ DC converter and single－ phase DC－ AC converter.While,the reserchers have done the amount of work in three－ phase DC－ AC inverter,and a substantial number of new topologies has been developed.This paper is an attempt to present some possible industrial applications of soft－ switched three－ phase inverter of motor drived,gives some circuits (ARCPI ZVT－ PWM ZCT－ PWM) and waveforms.Some of advantages and disadvantages are discussed. Keywords:Soft－ switched Resonant transition Zero voltage Zero current Inverter
  1前言
  　　近年来，在功率逆变器的设计中软开关技术被认为是一种先进的技术，特别是在解决开关损耗及提高开关频率方面有着非常广阔的发展前景。
  1.1软开关技术逆变器拓扑结构的发展现状
  　　自20世纪80年代初美国VPEC李泽元教授等人提出谐振软性开关的概念，到80年代后期美国威斯康星大学的D.M.Divan教授提出谐振直流环节逆变器和极谐振逆变器技术，近十多年来，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[1][2]。但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，给逆变桥提供一个零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）条件，例如谐振直流环节逆变器RDCLI[3]，有源箝位谐振直流环节逆变器ACRDCLI[4]，准谐振直流环节逆变器QRDCL[5]等等。第二是谐振发生在逆变桥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点。例如辅助谐振转换极逆变器ARCPI[6][7][8][9][10][11][12][13]，软开关过渡PWM技术逆变器ZVT－PWM和ZCT－PWM[14][15][16][2]等等。
  1.2软开关技术逆变器实际应用中要解决的几个关键问题
  　　（1）软开关技术的基础是由电感和电容及辅助开关组成的谐振电路来实现主功率器件换向时所需要的零电压或零电流，而谐振电路谐振时所产生的高电压应力和高电流应力，是人们所不希望看到而必须加以解决的。
  　　（2）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。
  　　（3）辅助谐振环节的引入，以及为了解决以上两个问题而引入的其它辅助器件将使得整个电路变得复杂起来，增加了电路控制的难度。
  　　（4）众所周知，脉宽调制PWM技术是变频器中一个不可或缺的控制技术，如何把谐振软开关技术和PWM技术结合起来，又是一需要解决的关键问题。
  　　而解决这些问题的有效方法就是谐振过渡技术，即把谐振电感移出主功率通道，通过辅助开关控制谐振的发生和终止，使得逆变主开关在过渡的瞬间由谐振产生一个ZVS或ZCS。
  　　本文将对第二类电路中的极谐振过渡逆变器进行较为详细的介绍。这部分将包括以下内容：辅助谐
  摘要：软开关技术在DC/DC变换，单相DC/AC变换方面得到了很大的发展并获得了大量的实际应用，在三相DC/AC逆变器方面，研究人员也作了大量的工作，提出了许多的电路拓扑。本文尝试对几种最有可能实际应用于三相电机驱动的软开关逆变器电路（ARCPIZVT－PWMZCT－PWM）进行了分析和描述，给出了典型电路及有关的波形，并分析其优缺点。
  图1ARCPI电路的基本结构及主要波形
  振转换极逆变器(ARCPI），软开关过渡PWM技术逆变器（ZVT－PWM和ZCT－PWM）。
  2辅助谐振转换极逆变器（ARCPI）
  2.1辅助谐振转换极逆变器的基本拓扑结构
  　　在文献6中提出的辅助谐振转换极逆变电路基本结构如图1所示。在该电路中，对应每一相，都有一个LC的谐振转换环节。谐振转换电路包括谐振电感Lr和并联在每个主开关上的谐振电容Crp/Crn，主开关为自关断器件。其工作原理如下：假设负载电感L1远大于谐振电感Lr，那么在主开关换相瞬间，负载电流可以看成是一恒流源，初始状态iO为图示方向，开关Sp处于关断，Sn处于导通，二极管Dn处于续流状态，即主电流iO流过Dn。开通V1，谐振电流iL开始线性增加，当iL到达iO时，流过Dn的电流变为零,iL－iO的差值流过开关Sn，当iL－iO=iboost时，关断Sn，谐振开始。在谐振期间，输出电压UO从零可以达到US，当UO等于US时，开关Sp就可以在零电压下开通，同时iL下降为零时，在零电流条件下关断V1。
  
  图1 ARCPI电路的基本结构及主要波形
  　　在文献7中对ARCPI电路的演变过程、工作过程及设计进行了详细的分析和说明，并对该电路进行了仿真，给出了把辅助换相电路同时应用到整流和逆变的AC/DC/AC的三相电机驱动原理电路，还在谐波、损耗、效率及性能方面和ACRDCLI电路进行了详细的比较，表明在大功率电机驱动时，ARCPI电路具有相当大的吸引力。
  　　在文献8中指出，为了补偿谐振电路的能量损耗，在谐振开始的时候，必须有一定的电流Iboost流过某一桥臂上将要断开的主开关，而Iboost的大小要受到该开关的关断时间控制，在一些大功率的应用场合，由于IGBT、BJT和GTO等器件的开关延迟，使得Iboost的控制变得异常困难，从而有可能使桥臂上另一开关非零电压开通，另外，准确检测电路的电流也给控制带来了复杂化。为此，该文献提出了一种改进的电路如图2所示。
  　　该电路的最大特点就是如果系数a选择适当，不需要Iboost就可以使UO从0谐振到E，从而为主开关创造零电压开关条件，使该电路谐振可靠、控制简单。
  　　ARCPI基本电路具有如下的一些优点：可以实现PWM控制，所有的开关均为软过渡，不增加主开关器件的电流和电压额定值，另外由于辅助开关不参与负载功率的传送，所以相对于主开关来说，其功率额定值要小的多等等。但是从实用的角度来看，还存在着一些缺点：开关数量太多，三相逆变器需要六个辅助开关；辅助开关电流的过零检测比较困难；辅助开关在每个开关周期内的导通时间是变化的〖2〗；这些都使得电路的控制变得很复杂，虽然文献8中的电路解决了一点问题，但该电路更适合于直流电源为电池的逆变电路，这是因为用电容很难实现较为准确的直流电压分配。
  2．2辅助谐振转换极逆变器的改进拓扑结构
  　　在文献9和文献10中提出了辅助谐振转换极逆变器的改进电路被认为是一种较为理想的逆变器拓扑结构。下面是该改进电路与三相电机的两种典型的接法结构。
  　　相对于基本的ARCPI电路来说，文献9和文献10中电路的最大特点就是把谐振电路放在了两相的输出之间，代替了原来的要使用直流环节中性点的结构，这样也就省掉了附加的笨重电容。同时开关的数量也大大减少。
  　　为了更简单地说明这种电路的工作过程，画出它们共同的单相电路拓扑结构图3(c)及换相原理波形如图4所示。假设电路的初始工作状态为开关S2和S3导通，S1和S4关断，负载电流为正且通过续流二极管D2和D3。当电路需要换相时，开通辅助开关Sr2，这样辅助电流通路S2，Lr2，Sr2，Dr1，Lr1，S3导通，电感Lr2，Lr1中的电流将直线上升，开关S2和S3上的电流慢慢下降，当谐振电感上的电流等于负载电流的时候，S2和S3上的电流等于零，我们就可以在零电流条件下关断S2和S3，当S2和S3关断之后，谐振电感Lr1和
  
  图2ARCPI基本电路的改进
  Lr2及每个主开关上的寄生电容之间就形成了一个谐振回路，当开关S1和S3中间的电压由于谐振而高于电源电压US时，S1两端的电压就被其反向并联二极管D1钳位到零，从而为S1的切换提供了一个零电压条件，对于开关S4来说是一样的可以在零电压条件下切换。
  　　文献9和文献10给出了这两种电路的较为详细的分析及各个器件理论上的工作波形。该文献中，作者还对这两种电路进行了仿真分析，并在负载为1kW的单相电路和100kW的三相电路上进行了实验，得出了较为理想的效果。也有另外一些文献给出了其它的改进电路拓扑[11]，并对一些ARCPI电路中的关键问题（例如电流过零检测问题）给出了详细的讨论，在此不详细讨论。
  
  图3ARCPI在电机驱动中的典型结构
  （a）Y型结构(b)△形结构(c)等效电路
  
  图4换相原理波形
  2.3辅助谐振转换极逆变器的再改进拓扑结构
  　　文献12指出，虽然文献9和文献10中提出的电路拥有容易实现和高效率的特点，但也存在着如下的不足：因为每个谐振通道包括两个辅助开关，两个二极管和一个谐振电感，所以明显地增加了控制逻辑的复杂性及和门驱动电路有关的元件的损耗。另外一个不足是由于布局和安装的原因可能会导致不同的桥臂之间电感不平衡。在该文献中提出了另外一个可以实现电压空间矢量控制的辅助谐振转换极逆变器的再改进拓扑结构，如图5所示。
  
  图5ARCPI的再改进拓扑结构
  　　该电路的工作过程和文献9、10中的电路工作过程几乎完全相同。在该拓扑结构中，省掉了两个电感元件和六个二极管，这对于减少可能产生的损耗有极大的好处，且实现起来也容易了许多。并且该电路还可以实现空间电压矢量控制。唯一的不足在于辅助电路中开关器件有点多。在文献12中对该电路的工作过程进行了详细的分析，并进行了仿真和在单相全桥电路和50kW的逆变器中进行了实验。
  　　文献13从提高整个逆变器效率的角度对ARCPI电路进行了详细的讨论。该文献指出，如果谐振电流不能根据负载电流而受到控制，则逆变器的整体效率就不能得到提高。这种情况在小功率的IGBT开关中还不太明显，但在大功率应用中就需要注意。因此在该文献中提出了改进的控制模式以提高逆变器的效率，并进行了详细的分析和仿真实验。
  3软开关过渡技术逆变器（ZVT－PWMZCT－PWM）
  3.1零电压过渡脉宽调制（ZVT－PWM）逆变器电路
  　　在文献14和文献15中，VPEC李泽元教授明确
  
  图6ZVT－PWM逆变器电路
  提出了谐振过渡概念，在该文献中介绍的ZVT－PWM逆变电路实际上也是文献6和文献7中介绍的辅助谐振转换极逆变器ARCPI的另一种改进电路，如图6所示。
  　　在传统的PWM逆变器拓扑结构中，增加一个用作辅助换相的小功率级的二极管桥，图中的Sr仅仅是一个谐振辅助开关。当主功率开关需要零电压/零电流过渡换相的时候，辅助开关Sr导通，同时二极管Dfb把多余的电感能量反馈回直流侧。所有的二极管均在零电流条件下导通或关断(ZCS)，而主功率开关的过渡过程工作在零电压条件下(ZVS)。该电路的工作过程和前面文献中的ARCPI基本电路极为相似，详细描述请参阅文献14、15和文献2。ZVT－PWM这种电路可以工作在期望很高的开关频率下，另外,除了主功率开关过渡的瞬间，这种电路的工作过程和传统意义上的PWM电路完全类似。
  　　文献2和文献12中指出，虽然该电路具有只用一个辅助开关、可以实现真正的PWM控制和多余能量可反馈回电压源等优点。但从这种电路的工作过程来看，还存在着以下两个缺点：
  　　（1）在每相桥臂过渡时，三相必须一起谐振，缺乏单相桥臂操作的灵活性。
  　　（2）谐振电流的过零时间必须精确控制，否则辅助开关的零电流关断就不能很好的实现。
  　　文献15还指出，由于上述电路只用了一个辅助开关，所以当主逆变桥的三个桥臂进行同步调制时，在一个周期内，辅助开关就要被激发三次，这也可能在辅助电路中增加损耗。该文献由此提出了一种改进的空间电压矢量控制方法。并在10kW的三相电机上进行了实验，取得了理想的效果。
  3.2零电流过渡脉宽调制（ZCT－PWM）逆变器电路
  　　该逆变器电路实际上是一种在大功率SCR型逆变器中所使用的电流脉冲强迫换流电路（着名的McMurray逆变器电路）的改进。该电路如图7所示。谐振电感LO和谐振电容CO之间的谐振给逆变桥开关在零电流条件下的关断提供了一个冲击电流。这就使该电路中辅助开关上的电压变化峰值要比DC总线上的电压高出很多；为了在ZCS下换相,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电阻Rd；文献16中提出了一个实际的三相ZCT－PWM拓扑结构及相关波形如图8所示。该电路包含一个传统的PWM逆变器和一个与谐振元件LO和CO串联的辅助桥电路组成。辅助桥电路上的每个辅助开关为逆变桥上的各自独立的桥臂提供ZCT条件，其工作过程和图7基本相同，例如，可以通过开通辅助电路中的开关SX1，使主开关S1在ZCT条件下关断。A相上的谐振电容CO予充电至电压UCM，当SX1开通以后，谐振元件LO和CO之间的谐振使得电感电流iL0和A相上的负载电流流入辅助电路。主开关S1在零电流条件下被关断,二极管D1循环维持电感上的电流；当t=t1时，二极管D4开始导通,主开关S1仍然处于断开状态，和传统的PWM电路一样；辅助开关SX1在t1　　ZCT－PWM逆变器优点可以归纳为以下几点[16]：
  　　(1)由于所有的有源开关都是在ZCS条件下开通或关断，大大缩小了有源开关和所有二极管上的电压/电流变化峰值。
  　　(2)和电流脉冲强迫换相电路相比，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，所以电流峰值大约仅仅只有负载电流的1.1倍，而且辅助电路中的电感损耗也大大的减少。
  　　(3)ZCS条件下开通或关断，对于那些关断时
  
  图7电流脉冲强迫换相电路
  
  图8实际的ZCT－PWM逆变器电路
  
  图9ZCT－PWM主要响应波形
  有拖尾（Long－tailed）电流的功率器件（例如IGBTGTOSCR）来说，无疑是一种较为理想的电路选择。
  　　然而，ZCT－PWM逆变器电路也存在着它自己的不足之处：逆变桥上的二极管和辅助开关都不是软关断，所以关断损耗对该电路来说是一个需要解决的问题；另外辅助开关数量的增加也是该电路实际应用时需要解决的一个重要问题。
  4结论
  　　本文对极谐振软开关过渡电路的几种用于三相电机驱动的逆变器进行了概述，描述了每种电路的基本原理及相关的优点和缺点，它们的共同优点是：
  　　（1）把谐振开关和谐振电感从主功率传送通道上移到一个专门的辅助电路中，从而避免了谐振电感的功率损耗及辅助开关所引起的谐波的发生。
  　　（2）通过辅助开关可以控制谐振的发生和终止，从而使得该电路对PWM调制技术的适应性更强，并且将会有更高的效率。
  　　（3）使逆变桥上的主开关器件上的寄生电容成为谐振电路的一部分，这对于那些寄生电容较大的开关器件（IGBT和MOSFET等）来说十分方便，从而使该电路的实用性增大了许多。
  　　虽然它还存在着一些缺点，为了克服缺点，提高系统性能和效率，还会有许多新的拓扑结构提出来，在不远的将来，软开关技术逆变器在电机驱动方面的应用会越来越广阔。