大功率諧振過渡軟開關技術變頻器研究（3）

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1??? 前言

??? 與主電路不同，控制電路主要處理控制信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關功率器件的正常工作，一旦出現失誤，將造成嚴重后果，使整個變頻器停止工作或損壞。變頻器的所有功能，如輸出頻率，過壓、過流保護，各種輸出功能及零電壓過渡條件的產生均與控制電路有關。因此，控制電路的設計質量對變頻器的性能至關重要，應該作為設計工作的重點。同時控制電路功能眾多，相對復雜，設計的內容也比較復雜，周期較長，甚至可能出現反復，有時一些參數的確定還需要通過實驗來得到。

??? 考慮到變頻器的通用功能設計已經是非常成熟的東西，在本文的討論中，主要描述和軟開關技術相關的控制電路設計。

2??? 諧振環節輔助開關的控制原理

??? 為了能夠更加清楚地說明諧振環節輔助開關的控制原理，我們對所選擇的軟開關電路的工作過程做一簡單的說明。

??? 圖1，圖2分別給出了本文所要討論的諧振極零電壓過渡三相逆變器電路的單相全橋的等效電路和工作原理波形。

圖1??? 單相全橋等效逆變電路

圖2??? 單相等效電路ZVT工作的原理波形

??? 極諧振零電壓過渡的基本工作原理可以說明如下：假定電路開始工作時，負載電流的方向如圖1中所示（為正），并且開關S₃，S₄處于開通狀態，二極管D₃，D₄正在續流。在關斷開關S₃，S₄之前，先在零電流條件下開通輔助開關S_r3，S_r4，諧振回路中的諧振電感開始儲存能量，即電感電流從零上升至予置電流（該予置電流大于負載電流），此時關斷開關S₃，S₄，由于開通死區時間的設置，開關S₁，S₆還沒有開通，諧振電容C_r1，C_r6和諧振電感Lr之間構成了諧振回路，諧振的結果是，電容C_r1，C_r6通過電感L_r釋放能量，同時，電容C_r3，C_r4儲存能量至母線電壓，二極管D₁，D₆導通，為開關S₁，S₆創造一個零電壓開通條件，輔助開關S_r3，S_r4在零電流條件下關斷，從而完成一次主開關的ZVT過程。

??? 從前面對諧振極零電壓過渡過程的分析可以知道，要實現該電路正確的ZVT過程，下面的幾點是關鍵的：

??? 1）諧振電感中能量的予儲存，即主功率器件關斷之前，輔助電路中開關的提前開通，且提前量（時間）應該和負載電流相關；

??? 2）輔助電路中開關的開通選擇（順序）應該和主功率器件的ZVT順序相關；

??? 3）主功率器件的的延遲開通（傳統逆變器中稱之為死區時間）是必不可少的，且該時間的大小與諧振過程中諧振電容的充放電時間有著重要的關系；

??? 4）諧振電感中能量予儲存的大小應該滿足諧振和電容的充放電要求。

??? 由此得出輔助電路控制有兩種可能的實現方案：一種方案是固定時間控制，其原理是，在每個逆變橋開關狀態發生改變之前，用一個固定的時間來為諧振電感儲存能量；另外一種方案是變時間控制，其基本原理是，使諧振電感的儲存能量時間隨負載電流的改變而改變。

??? 固定時間控制最大的優點是控制過程簡單，易于實現，但是，它會由于增加不必要的諧振峰值電流，延長輔助開關的導通時間，從而降低逆變器的效率。而變時間控制雖然克服了上述缺點，但需要檢測相電流的值，控制過程較為復雜，且增加了硬件的成本。

??? 由上面的分析可以看出，輔助開關的提前開通，諧振電感的能量儲存是諧振過程正確發生的基本條件。

??? 在諧振電感的設計中，已經給出了輔助開關的提前開通時間t_cm為

??? t_cm=

式中：E為電源電壓。

??? 諧振周期T_r可以表示為

??? T_r=π

式中：C_r為電路諧振時的等效電容。

??? 諧振電感中電流的下降時間和上升時間大約相等，即：t_d=t_c=2μs。

??? 輔助開關的總開通時間t_sr可以表示為

??? t_sr=t_c＋T_r＋t_d=＋π<5μs

??? 所以，一旦諧振電感和電容確定之后，對應于逆變橋三相橋臂的每組兩個輔助開關的開通時間是固定的。

??? 從前面的分析可以看出，如果預置電流I_x隨相電流的變化而變化，則t_sr也將成為相電流的函數，而變化的t_sr將使得控制的實現變得復雜，所以應該在最大負載電流條件下，選擇一個固定的預置電流I_x和t_sr。當然在輕負載條件時，諧振電感中所儲存的能量將遠遠大于諧振時需要的能量。

3??? 軟開關變頻器的控制設計和實現

??? 從前面的分析中可以比較容易地得出軟開關技術變頻器控制器的設計原則。

??? 1）軟開關技術變頻器首先要完成變頻器的所有功能，故對于三相逆變橋中6個開關功率器件的控制（包含了傳統硬開關技術變頻器的所有功能的控制），采用傳統的硬開關技術變頻器中的微處理器（DSP）構成的控制板，并采用已有的控制程序，在此不在贅述。

??? 2）關于諧振網絡中輔助開關的控制邏輯的實現，考慮兩種方案：第一，由邏輯器件IC構成一個專用的控制板；第二，在傳統的硬開關技術變頻器控制板中，增加相應的硬件電路（主要是用來控制三個輔助開關的PWM接口），并在軟件設計中完成相應的邏輯。

??? 無論怎樣，針對輔助開關而設計的控制器都要完成以下的邏輯功能。

??? （1）輔助開關的提前開通功能。所謂輔助開關的提前開通是指輔助開關要提前于相應的主開關功率器件關斷之前開通，具體這樣解釋，當需要給某個主開關創造零電壓開通條件時，因為，該主開關的開通信號要比它對應的橋臂上的另一個主開關的關斷信號延遲一個死區時間，所以，輔助開關要在另一個主開關的關斷信號到來之前開通，以便使得母線電壓能夠加在諧振電感的兩端，給諧振電感上預置能量，當要關斷的主開關關斷之后，要開通的主開關沒有開通之前的這段時間（死區時間）內，電感和并接在主開關功率器件上的電容進行諧振。

??? （2）上面已經指出，一旦諧振電感和電容確定之后，對應于逆變橋三相橋臂的每組兩個輔助開關的開通時間是固定的。所以，輔助開關控制器還要完成輔助開關在開通后的一定時間內再關斷功能。

??? 圖3給出了用IC電路實現輔助開關控制的邏輯實現圖。圖4給出作者設計的一個實際的用IC器件實現輔助開關控制的邏輯電路實例照片。當然，IC電路部分還可以用CPU來實現。

圖3??? 輔助開關控制的邏輯實現圖

圖4??? 用IC電路實現輔助開關控制的實際電路

4??? 開關功率器件驅動電路的設計

??? 驅動電路是控制電路與主電路的接口，在大功率變頻器的設計中，由于開關功率器件容量較大，因此，需要一定的驅動功率，而且，由于主電路中干擾信號很強，對驅動電路抗干擾和隔離噪聲的能力也有較高的要求。對IGBT驅動電路的一般要求如下。

??? 1）關于柵極驅動電壓??? IGBT開通時，正向柵極電壓的值應足以使IGBT完全飽和，并使通態損耗減至最小，同時，也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。在任何情況下，開通時的柵極驅動電壓，應該在12～20V之間。當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態。但是，為了保證IGBT在集電極—發射極電壓上出現dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向偏壓，采用反向偏壓還減少了關斷損耗。反向偏壓應該在－5V～－15V之間。

??? 2）柵極串聯電阻（R_g）??? 選擇適當的柵極串聯電阻對IGBT柵極驅動相當重要。IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現的，因此，柵極電阻值將對IGBT的動態特性產生極大的影響。數值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關時間和開關損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導通），但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導致柵極—發射極電容和柵極驅動導線的寄生電感產生振蕩。

??? 3）柵極驅動功率??? IGBT的開關要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅動負、正偏置電壓的差值ΔV_GE，柵極總電荷Q_G和工作頻率f_s的影響。柵極電源的最大峰值電流I_GPK為

??? I_GPK=±

??? 柵極電源的平均功率P_AV為

??? P_AV=ΔV_GE×Q_G×f_s

??? 另外，在大功率變頻器IGBT驅動電路的設計中，還應該注意以下幾個方面的問題：

??? （1）布線必須將驅動器的輸出級和IGBT之間的寄生電感減至最低。這相當于將驅動器和IGBT之間連線所包圍的環路面積減至最小。為此，一般情況下，將把驅動電路直接放置在大功率的開關功率器件上。

??? （2）必須正確放置柵極驅動板和屏蔽驅動電路，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

??? （3）柵極箝位保護電路也必須按低電感布線，并盡量放置于IGBT模塊的柵極—發射極控制端子附近。

??? （4）由于IGBT的開通和關斷會使相互電位改變，PCB板的線條之間不宜太過于接近。過高的dv/dt會由寄生電容耦合噪聲，假如在布線時無法避免線條交叉或平行，必須采用屏蔽層以作保護。

??? （5）對于逆變橋上橋臂的功率器件柵極驅動電路之間，下橋臂的柵極驅動電路之間和控制電路之間的寄生電容可產生耦合噪聲的問題，必須進行適當的測量，減低這些寄生電容。

??? （6）假如使用光耦合器用作隔離高邊柵極驅動信號，其最小共模抑制比必須為10V/μs。

??? 圖5給出了作者設計的一個驅動板（包括開關電源）的實例照片。

圖5??? 實現輔助開關驅動的實際電路

5??? 結語

??? 本文對大功率諧振過渡軟開關變頻器，在進行控制電路設計時，應該考慮的一些問題和其所要遵循的設計原則，進行了深入的討論，通過連續的幾篇文章，介紹了諧振過渡軟開關技術逆變器的設計原則和具體方法，相信通過我們的努力，一定會使這種新型的變頻器，在實際應用中發揮更大的作用。（全文完）