諧振極軟開關(guān)逆變器采用諧振極軟開關(guān)逆變器的直接轉(zhuǎn)矩控制

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，在很大程度上解決了矢量控制中控制復(fù)雜、特性易受電機參數(shù)變化的影響，以及實際性能難以達到理論分析結(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，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

無刷直流電機以其優(yōu)越的性能獲得了迅猛發(fā)展，然而，無刷直流電機通常采用硬開關(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驅(qū)動系統(tǒng)功率密度和性能的進一步提高，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，成為電力電子和運動控制領(lǐng)域的研究熱點。用于交流電機驅(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)生了許多拓撲和控制方法，該類逆變器共同的特點是在直流母線上串接一個功率器件，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驅(qū)動，異步電動機為正弦波控制三相繞組中通有正弦電流，而無刷直流電機工作在星形三相六狀態(tài)120°換相時為方波控制，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，有必要研究適用于無刷直流電機的諧振極軟開關(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。三相橋臂的極點連接諧振網(wǎng)絡(luò)，每相諧振網(wǎng)絡(luò)含有一個雙向開關(guān)和一個小的緩沖諧振電容，三相共用一個諧振電感和兩個形成直流母線中點電壓的電容。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)上加入一個緩沖電感L，兩個緩沖電容C₁、C₂，四個二極管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)逆變器進行一個總體概述，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載時電流方向為正，反之電流由負載流向逆變器時電流方向為負，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，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)損耗要遠小于硬開關(guān)條件下的開關(guān)損耗。

（3）巧于在實際電路設(shè)計中不能達到理想情況下，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)拓撲結(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章無刷直流電機專用諧振極軟開關(guān)逆變器

第4章無刷直流電機逆變器的能耗分析

參考文獻 2100433B