諧振極軟開關(guān)逆變器

直接轉(zhuǎn)矩控制理論以其控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在很大程度上解決了矢量控制中控制復(fù)雜、特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響，以及實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果的諸多重大問題。然而，在低速情況下直接轉(zhuǎn)矩控制卻存在轉(zhuǎn)矩脈動的不足。此時(shí)若能提高開關(guān)頻率，則可改善轉(zhuǎn)速的低頻脈動情況。在高速范圍時(shí)，通常需要放寬轉(zhuǎn)矩容差來避免過高的開關(guān)頻率，轉(zhuǎn)矩容差設(shè)定的窄些，對減小轉(zhuǎn)矩脈動是有利的，但卻增加了逆變器的開關(guān)頻率，使之成為進(jìn)一步提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)調(diào)速精度的不利因素。在傳統(tǒng)的硬開關(guān)逆變器中，由于存在開關(guān)消耗，因此開關(guān)頻率難以進(jìn)一步提高。軟開關(guān)技術(shù)則是提高開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗的最好方法。 2100433B

無刷直流電機(jī)以其優(yōu)越的性能獲得了迅猛發(fā)展，然而，無刷直流電機(jī)通常采用硬開關(guān)逆變器驅(qū)動，硬開關(guān)逆變器的系統(tǒng)效率較低，開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力大，散熱器的體積和重量較大，而且硬性通/斷產(chǎn)生的過高du/dt和di/dt給系統(tǒng)造成了非常嚴(yán)重的電磁干擾，影響電機(jī)的絕緣壽命，功率開關(guān)器件開通和關(guān)斷瞬間的電壓和電流尖峰可能使功率器件的運(yùn)行軌跡超出安全工作區(qū)，從而導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，硬開關(guān)逆變器限制了大功率無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)功率密度和性能的進(jìn)一步提高，控制器效率、電磁干擾、體積重量問題日益突顯，成為制約其快速發(fā)展的主要因素。

為了解決硬開關(guān)逆變器的諸多問題，人們將更多的努力投向了軟開關(guān)技術(shù)。自從20世紀(jì)80年代初提出諧振開關(guān)——軟性開關(guān)的概念，軟開關(guān)技術(shù)吸引了大量的研究人員，成為電力電子和運(yùn)動控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。用于交流電機(jī)驅(qū)動的軟開關(guān)電壓源逆變器主要包括兩種類型：諧振直流環(huán)節(jié)逆變器和諧振極逆變器。諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器的研究產(chǎn)生了許多拓?fù)浜涂刂品椒?，該類逆變器共同的特點(diǎn)是在直流母線上串接一個(gè)功率器件，其導(dǎo)通損耗將嚴(yán)重影響逆變器效率的提高，且直流母線凹槽影響直流電壓的利用率。

諧振極逆變器的輔助電路連接在逆變器的三個(gè)輸出端，直流環(huán)節(jié)電壓不受諧振的影響。諧振極逆變器代表性的電路有準(zhǔn)諧振電流模式逆變器、輔助諧振換相極逆變器、零電壓轉(zhuǎn)換逆變器、星形緩沖器和三角形緩沖器。但這些諧振極逆變器的研究主要集中在異步電動機(jī)驅(qū)動，異步電動機(jī)為正弦波控制三相繞組中通有正弦電流，而無刷直流電機(jī)工作在星形三相六狀態(tài)120°換相時(shí)為方波控制，只有兩相通電且為方波，控制方法及開關(guān)器件的動作都有較大差異，因而，傳統(tǒng)的諧振極軟開關(guān)逆變技術(shù)并不完全適合于無刷直流電機(jī)，有必要研究適用于無刷直流電機(jī)的諧振極軟開關(guān)逆變器。提出了一種專用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的諧振極軟開關(guān)逆變器，如圖1所示。三相橋臂的極點(diǎn)連接諧振網(wǎng)絡(luò)，每相諧振網(wǎng)絡(luò)含有一個(gè)雙向開關(guān)和一個(gè)小的緩沖諧振電容，三相共用一個(gè)諧振電感和兩個(gè)形成直流母線中點(diǎn)電壓的電容。緩沖諧振電容為該相主開關(guān)器件的 PWM 調(diào)制提供 ZVS 關(guān)斷條件，雙向開關(guān)控制諧振過程實(shí)現(xiàn)緩沖諧振電容的電位變化，為主開關(guān)器件的 PWM 調(diào)制提供 ZVS 開通條件。雙向開關(guān)的通斷均在 ZCS 條件下進(jìn)行，其電壓應(yīng)力為直流電源的一半。

圖2為新型H電平軟開關(guān)逆變器結(jié)構(gòu)圖，在原有T型H電平逆變器基礎(chǔ)上加入一個(gè)緩沖電感L，兩個(gè)緩沖電容C₁、C₂，四個(gè)二極管D_h1、D_h2、D_h3、D_h4構(gòu)成了新型H電平軟開關(guān)逆變器。和現(xiàn)有的硬開關(guān)H電平逆變器相比其可在開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷過程中實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷、零電流導(dǎo)通。這樣可W有效減小開關(guān)損耗進(jìn)而提高逆變器效率。這種軟開關(guān)同樣可W應(yīng)用于二極管鉗位式H電平逆變器中，本文主要分析其在T型H電平逆變器中的應(yīng)用。

對H電平軟開關(guān)逆變器進(jìn)行一個(gè)總體概述，根據(jù)開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)、輸出電壓及電流方向可以將H電平軟開關(guān)逆變器工作狀態(tài)分為以下幾類，并列表如圖3所示。我們規(guī)定電流由逆變器流向負(fù)載時(shí)電流方向?yàn)檎?，反之電流由?fù)載流向逆變器時(shí)電流方向?yàn)樨?fù)，緩沖電容左側(cè)電壓高于右側(cè)電壓為正。下表主要用來說明在不同工況下所涉及的功率開關(guān)器件及電容電壓變化。從上圖可看出H電平軟開關(guān)逆變器具有四種電平開關(guān)變換方式。每種電平以變化方式根據(jù)電流方向的不同又可分為兩種，但正電平與負(fù)電平不能直接變換 。

軟開關(guān)技術(shù)的主要思想是通過在回路中加入緩沖電感、電容，通過電感、電容的諧振作用，使功率開關(guān)器件兩端電壓或者電流為零。當(dāng)功率開關(guān)器件在零電流條件下動作時(shí)，稱為零電流軟開關(guān)（ZCS）；在零電壓條件下動作，稱為零電壓軟開關(guān)（ZVS）。由于開關(guān)器件在零電流或零電壓條件下完成開關(guān)動作不存在電流與電壓的積分，所以可以近似認(rèn)為其開關(guān)損耗為零。圖1表示的為軟硬開關(guān)模式下的電壓電流軌跡圖。圖中軌跡A、B和C、D分別表示硬開關(guān)關(guān)斷、開通和軟開關(guān)開通、關(guān)斷的軌跡，虛線部分則為開關(guān)管的安全工作區(qū)，陰影部分表示開關(guān)損耗。

從圖中可以看出：

（1）功率開關(guān)管器件工作在軟開關(guān)條件下超出安全工作區(qū)的可能性大為減小，使得開關(guān)管的工作環(huán)境大為改善，系統(tǒng)的安全性可靠性大為提高。

（2）由于開關(guān)管的功率損耗P為開關(guān)管關(guān)斷過程中的電壓與電流的積分。從圖中明顯的可以看出軟開關(guān)條件下的開關(guān)損耗要遠(yuǎn)小于硬開關(guān)條件下的開關(guān)損耗。

（3）巧于在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中不能達(dá)到理想情況下，會在主回路中產(chǎn)生各種寄生電感電容，又由于功率開關(guān)管器件動作速度極快，這就導(dǎo)致這些寄生參數(shù)在開關(guān)管上產(chǎn)生過電壓或過電流的尖峰。而軟開關(guān)由于可以將開關(guān)管電壓或者電流鉗位到0，這樣可有效地減小開關(guān)應(yīng)力，降低du/dt、di/dt，并且使得電磁干擾（EMI）得到有效的抑制。由于軟開關(guān)具有上述優(yōu)點(diǎn)使其在PWM逆變器高頻化過程中得到很高的關(guān)注，也使得各國學(xué)者爭相研究各種軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

前言

第1章概述

第2章諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器

第3章無刷直流電機(jī)專用諧振極軟開關(guān)逆變器

第4章無刷直流電機(jī)逆變器的能耗分析

參考文獻(xiàn) 2100433B