極諧振軟開關過渡三相PWM逆變器研究新進展

摘要：軟開關技術在DC/DC變換，單相DC/AC變換方面得到了很大的發展并獲得了大量的實際應用，在三相DC/AC逆變器方面，研究人員也作了大量的工作，提出了許多的電路拓撲。本文嘗試對幾種最有可能實際應用于三相電機驅動的軟開關逆變器電路（ARCPIZVT－PWMZCT－PWM）進行了分析和描述，給出了典型電路及有關的波形，并分析其優缺點。

關鍵詞：軟開關諧振過渡零電壓零電流逆變器

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

　　近年來，在功率逆變器的設計中軟開關技術被認為是一種先進的技術，特別是在解決開關損耗及提高開關頻率方面有著非常廣闊的發展前景。

1.1軟開關技術逆變器拓撲結構的發展現狀

　　自20世紀80年代初美國VPEC李澤元教授等人提出諧振軟性開關的概念，到80年代后期美國威斯康星大學的D.M.Divan教授提出諧振直流環節逆變器和極諧振逆變器技術，近十多年來，研究人員圍繞這兩種基本拓撲相繼提出了許多關于軟開關逆變器的拓撲結構[1][2]。但從諧振能量發生的位置來看，基本上可以分為兩大類：第一是諧振發生在直流母線上，通過諧振使得直流母線上的電壓或電流過零點，給逆變橋提供一個零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）條件，例如諧振直流環節逆變器RDCLI[3]，有源箝位諧振直流環節逆變器ACRDCLI[4]，準諧振直流環節逆變器QRDCL[5]等等。第二是諧振發生在逆變橋橋臂的每一個有源開關兩端，通過諧振使得在每個開關需要切換的時候它兩端的電壓或電流過零點。例如輔助諧振轉換極逆變器ARCPI[6][7][8][9][10][11][12][13]，軟開關過渡PWM技術逆變器ZVT－PWM和ZCT－PWM[14][15][16][2]等等。

1.2軟開關技術逆變器實際應用中要解決的幾個關鍵問題

　?。?）軟開關技術的基礎是由電感和電容及輔助開關組成的諧振電路來實現主功率器件換向時所需要的零電壓或零電流，而諧振電路諧振時所產生的高電壓應力和高電流應力，是人們所不希望看到而必須加以解決的。

　　（2）如果諧振電感處于主功率傳輸通道（直流母線）上，在大功率和很高的諧振頻率下，勢必引起感性損耗。

　　（3）輔助諧振環節的引入，以及為了解決以上兩個問題而引入的其它輔助器件將使得整個電路變得復雜起來，增加了電路控制的難度。

　?。?）眾所周知，脈寬調制PWM技術是變頻器中一個不可或缺的控制技術，如何把諧振軟開關技術和PWM技術結合起來，又是一需要解決的關鍵問題。

　　而解決這些問題的有效方法就是諧振過渡技術，即把諧振電感移出主功率通道，通過輔助開關控制諧振的發生和終止，使得逆變主開關在過渡的瞬間由諧振產生一個ZVS或ZCS。

　　本文將對第二類電路中的極諧振過渡逆變器進行較為詳細的介紹。這部分將包括以下內容：輔助諧

摘要：軟開關技術在DC/DC變換，單相DC/AC變換方面得到了很大的發展并獲得了大量的實際應用，在三相DC/AC逆變器方面，研究人員也作了大量的工作，提出了許多的電路拓撲。本文嘗試對幾種最有可能實際應用于三相電機驅動的軟開關逆變器電路（ARCPIZVT－PWMZCT－PWM）進行了分析和描述，給出了典型電路及有關的波形，并分析其優缺點。

圖1ARCPI電路的基本結構及主要波形

振轉換極逆變器(ARCPI），軟開關過渡PWM技術逆變器（ZVT－PWM和ZCT－PWM）。

2輔助諧振轉換極逆變器（ARCPI）

2.1輔助諧振轉換極逆變器的基本拓撲結構

　　在文獻6中提出的輔助諧振轉換極逆變電路基本結構如圖1所示。在該電路中，對應每一相，都有一個LC的諧振轉換環節。諧振轉換電路包括諧振電感Lr和并聯在每個主開關上的諧振電容Crp/Crn，主開關為自關斷器件。其工作原理如下：假設負載電感L1遠大于諧振電感Lr，那么在主開關換相瞬間，負載電流可以看成是一恒流源，初始狀態iO為圖示方向，開關Sp處于關斷，Sn處于導通，二極管Dn處于續流狀態，即主電流iO流過Dn。開通V1，諧振電流iL開始線性增加，當iL到達iO時，流過Dn的電流變為零,iL－iO的差值流過開關Sn，當iL－iO=iboost時，關斷Sn，諧振開始。在諧振期間，輸出電壓UO從零可以達到US，當UO等于US時，開關Sp就可以在零電壓下開通，同時iL下降為零時，在零電流條件下關斷V1。

圖1 ARCPI電路的基本結構及主要波形

　　在文獻7中對ARCPI電路的演變過程、工作過程及設計進行了詳細的分析和說明，并對該電路進行了仿真，給出了把輔助換相電路同時應用到整流和逆變的AC/DC/AC的三相電機驅動原理電路，還在諧波、損耗、效率及性能方面和ACRDCLI電路進行了詳細的比較，表明在大功率電機驅動時，ARCPI電路具有相當大的吸引力。

　　在文獻8中指出，為了補償諧振電路的能量損耗，在諧振開始的時候，必須有一定的電流Iboost流過某一橋臂上將要斷開的主開關，而Iboost的大小要受到該開關的關斷時間控制，在一些大功率的應用場合，由于IGBT、BJT和GTO等器件的開關延遲，使得Iboost的控制變得異常困難，從而有可能使橋臂上另一開關非零電壓開通，另外，準確檢測電路的電流也給控制帶來了復雜化。為此，該文獻提出了一種改進的電路如圖2所示。

　　該電路的最大特點就是如果系數a選擇適當，不需要Iboost就可以使UO從0諧振到E，從而為主開關創造零電壓開關條件，使該電路諧振可靠、控制簡單。

　　ARCPI基本電路具有如下的一些優點：可以實現PWM控制，所有的開關均為軟過渡，不增加主開關器件的電流和電壓額定值，另外由于輔助開關不參與負載功率的傳送，所以相對于主開關來說，其功率額定值要小的多等等。但是從實用的角度來看，還存在著一些缺點：開關數量太多，三相逆變器需要六個輔助開關；輔助開關電流的過零檢測比較困難；輔助開關在每個開關周期內的導通時間是變化的〖2〗；這些都使得電路的控制變得很復雜，雖然文獻8中的電路解決了一點問題，但該電路更適合于直流電源為電池的逆變電路，這是因為用電容很難實現較為準確的直流電壓分配。

2．2輔助諧振轉換極逆變器的改進拓撲結構

　　在文獻9和文獻10中提出了輔助諧振轉換極逆變器的改進電路被認為是一種較為理想的逆變器拓撲結構。下面是該改進電路與三相電機的兩種典型的接法結構。

　　相對于基本的ARCPI電路來說，文獻9和文獻10中電路的最大特點就是把諧振電路放在了兩相的輸出之間，代替了原來的要使用直流環節中性點的結構，這樣也就省掉了附加的笨重電容。同時開關的數量也大大減少。

　　為了更簡單地說明這種電路的工作過程，畫出它們共同的單相電路拓撲結構圖3(c)及換相原理波形如圖4所示。假設電路的初始工作狀態為開關S2和S3導通，S1和S4關斷，負載電流為正且通過續流二極管D2和D3。當電路需要換相時，開通輔助開關Sr2，這樣輔助電流通路S2，Lr2，Sr2，Dr1，Lr1，S3導通，電感Lr2，Lr1中的電流將直線上升，開關S2和S3上的電流慢慢下降，當諧振電感上的電流等于負載電流的時候，S2和S3上的電流等于零，我們就可以在零電流條件下關斷S2和S3，當S2和S3關斷之后，諧振電感Lr1和

圖2ARCPI基本電路的改進

Lr2及每個主開關上的寄生電容之間就形成了一個諧振回路，當開關S1和S3中間的電壓由于諧振而高于電源電壓US時，S1兩端的電壓就被其反向并聯二極管D1鉗位到零，從而為S1的切換提供了一個零電壓條件，對于開關S4來說是一樣的可以在零電壓條件下切換。

　　文獻9和文獻10給出了這兩種電路的較為詳細的分析及各個器件理論上的工作波形。該文獻中，作者還對這兩種電路進行了仿真分析，并在負載為1kW的單相電路和100kW的三相電路上進行了實驗，得出了較為理想的效果。也有另外一些文獻給出了其它的改進電路拓撲[11]，并對一些ARCPI電路中的關鍵問題（例如電流過零檢測問題）給出了詳細的討論，在此不詳細討論。

圖3ARCPI在電機驅動中的典型結構

（a）Y型結構(b)△形結構(c)等效電路

圖4換相原理波形

2.3輔助諧振轉換極逆變器的再改進拓撲結構

　　文獻12指出，雖然文獻9和文獻10中提出的電路擁有容易實現和高效率的特點，但也存在著如下的不足：因為每個諧振通道包括兩個輔助開關，兩個二極管和一個諧振電感，所以明顯地增加了控制邏輯的復雜性及和門驅動電路有關的元件的損耗。另外一個不足是由于布局和安裝的原因可能會導致不同的橋臂之間電感不平衡。在該文獻中提出了另外一個可以實現電壓空間矢量控制的輔助諧振轉換極逆變器的再改進拓撲結構，如圖5所示。

圖5ARCPI的再改進拓撲結構

　　該電路的工作過程和文獻9、10中的電路工作過程幾乎完全相同。在該拓撲結構中，省掉了兩個電感元件和六個二極管，這對于減少可能產生的損耗有極大的好處，且實現起來也容易了許多。并且該電路還可以實現空間電壓矢量控制。唯一的不足在于輔助電路中開關器件有點多。在文獻12中對該電路的工作過程進行了詳細的分析，并進行了仿真和在單相全橋電路和50kW的逆變器中進行了實驗。

　　文獻13從提高整個逆變器效率的角度對ARCPI電路進行了詳細的討論。該文獻指出，如果諧振電流不能根據負載電流而受到控制，則逆變器的整體效率就不能得到提高。這種情況在小功率的IGBT開關中還不太明顯，但在大功率應用中就需要注意。因此在該文獻中提出了改進的控制模式以提高逆變器的效率，并進行了詳細的分析和仿真實驗。

3軟開關過渡技術逆變器（ZVT－PWMZCT－PWM）

3.1零電壓過渡脈寬調制（ZVT－PWM）逆變器電路

　　在文獻14和文獻15中，VPEC李澤元教授明確

圖6ZVT－PWM逆變器電路

提出了諧振過渡概念，在該文獻中介紹的ZVT－PWM逆變電路實際上也是文獻6和文獻7中介紹的輔助諧振轉換極逆變器ARCPI的另一種改進電路，如圖6所示。

　　在傳統的PWM逆變器拓撲結構中，增加一個用作輔助換相的小功率級的二極管橋，圖中的Sr僅僅是一個諧振輔助開關。當主功率開關需要零電壓/零電流過渡換相的時候，輔助開關Sr導通，同時二極管Dfb把多余的電感能量反饋回直流側。所有的二極管均在零電流條件下導通或關斷(ZCS)，而主功率開關的過渡過程工作在零電壓條件下(ZVS)。該電路的工作過程和前面文獻中的ARCPI基本電路極為相似，詳細描述請參閱文獻14、15和文獻2。ZVT－PWM這種電路可以工作在期望很高的開關頻率下，另外,除了主功率開關過渡的瞬間，這種電路的工作過程和傳統意義上的PWM電路完全類似。

　　文獻2和文獻12中指出，雖然該電路具有只用一個輔助開關、可以實現真正的PWM控制和多余能量可反饋回電壓源等優點。但從這種電路的工作過程來看，還存在著以下兩個缺點：

　?。?）在每相橋臂過渡時，三相必須一起諧振，缺乏單相橋臂操作的靈活性。

　?。?）諧振電流的過零時間必須精確控制，否則輔助開關的零電流關斷就不能很好的實現。

　　文獻15還指出，由于上述電路只用了一個輔助開關，所以當主逆變橋的三個橋臂進行同步調制時，在一個周期內，輔助開關就要被激發三次，這也可能在輔助電路中增加損耗。該文獻由此提出了一種改進的空間電壓矢量控制方法。并在10kW的三相電機上進行了實驗，取得了理想的效果。

3.2零電流過渡脈寬調制（ZCT－PWM）逆變器電路

　　該逆變器電路實際上是一種在大功率SCR型逆變器中所使用的電流脈沖強迫換流電路（著名的McMurray逆變器電路）的改進。該電路如圖7所示。諧振電感LO和諧振電容CO之間的諧振給逆變橋開關在零電流條件下的關斷提供了一個沖擊電流。這就使該電路中輔助開關上的電壓變化峰值要比DC總線上的電壓高出很多；為了在ZCS下換相,逆變橋中每個橋臂都需要兩個輔助開關，兩個續流二極管和一個電阻Rd；文獻16中提出了一個實際的三相ZCT－PWM拓撲結構及相關波形如圖8所示。該電路包含一個傳統的PWM逆變器和一個與諧振元件LO和CO串聯的輔助橋電路組成。輔助橋電路上的每個輔助開關為逆變橋上的各自獨立的橋臂提供ZCT條件，其工作過程和圖7基本相同，例如，可以通過開通輔助電路中的開關SX1，使主開關S1在ZCT條件下關斷。A相上的諧振電容CO予充電至電壓UCM，當SX1開通以后，諧振元件LO和CO之間的諧振使得電感電流iL0和A相上的負載電流流入輔助電路。主開關S1在零電流條件下被關斷,二極管D1循環維持電感上的電流；當t=t1時，二極管D4開始導通,主開關S1仍然處于斷開狀態，和傳統的PWM電路一樣；輔助開關SX1在t1　　ZCT－PWM逆變器優點可以歸納為以下幾點[16]：

　　(1)由于所有的有源開關都是在ZCS條件下開通或關斷，大大縮小了有源開關和所有二極管上的電壓/電流變化峰值。

　　(2)和電流脈沖強迫換相電路相比，輔助電路諧振中的循環能量將隨負載電流的變化而被調整，所以電流峰值大約僅僅只有負載電流的1.1倍，而且輔助電路中的電感損耗也大大的減少。

　　(3)ZCS條件下開通或關斷，對于那些關斷時

圖7電流脈沖強迫換相電路

圖8實際的ZCT－PWM逆變器電路

圖9ZCT－PWM主要響應波形

有拖尾（Long－tailed）電流的功率器件（例如IGBTGTOSCR）來說，無疑是一種較為理想的電路選擇。

　　然而，ZCT－PWM逆變器電路也存在著它自己的不足之處：逆變橋上的二極管和輔助開關都不是軟關斷，所以關斷損耗對該電路來說是一個需要解決的問題；另外輔助開關數量的增加也是該電路實際應用時需要解決的一個重要問題。

4結論

　　本文對極諧振軟開關過渡電路的幾種用于三相電機驅動的逆變器進行了概述，描述了每種電路的基本原理及相關的優點和缺點，它們的共同優點是：

　?。?）把諧振開關和諧振電感從主功率傳送通道上移到一個專門的輔助電路中，從而避免了諧振電感的功率損耗及輔助開關所引起的諧波的發生。

　?。?）通過輔助開關可以控制諧振的發生和終止，從而使得該電路對PWM調制技術的適應性更強，并且將會有更高的效率。

　?。?）使逆變橋上的主開關器件上的寄生電容成為諧振電路的一部分，這對于那些寄生電容較大的開關器件（IGBT和MOSFET等）來說十分方便，從而使該電路的實用性增大了許多。

　　雖然它還存在著一些缺點，為了克服缺點，提高系統性能和效率，還會有許多新的拓撲結構提出來，在不遠的將來，軟開關技術逆變器在電機驅動方面的應用會越來越廣闊。