三相PFC和軟開關(guān)技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

沈錦飛， 丁 楊

(江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所， 無錫 214122)

三相PFC和軟開關(guān)技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

沈錦飛， 丁 楊

(江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所， 無錫 214122)

將三相功率因數(shù)校正和軟開關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)變頻器結(jié)合，提出了一種新穎的電路結(jié)構(gòu)，在變頻調(diào)速的同時(shí)，改善了電網(wǎng)，降低功耗。前端使用三相雙開關(guān)PFC電路，結(jié)合一種新穎的CCM控制模式，為直流側(cè)提供穩(wěn)定的電壓源，EMI小且適用于大功率，后端的零電壓導(dǎo)通電路使用三個(gè)輔助開關(guān)與LC諧振電路，降低了控制難度以及逆變側(cè)開關(guān)的負(fù)荷，并通過仿真驗(yàn)證。

功率因數(shù)校正； 雙開關(guān)； 軟開關(guān)； 零電壓導(dǎo)通

目前工業(yè)上通用的變頻器存在功率因數(shù)低(約為0.6～0.7)，開關(guān)損耗大等問題，對(duì)電網(wǎng)的危害嚴(yán)重[1]。近年來隨著有源功率因數(shù)校正APFC(active power factor correction)技術(shù)的不斷發(fā)展，三相PFC技術(shù)逐步在變頻器中得到應(yīng)用。三相PFC的難點(diǎn)在于相間解耦，不解耦三相單開關(guān)PFC控制容易但開關(guān)應(yīng)力大，只適于小功率場(chǎng)合。全解耦三相六開關(guān)PFC功率因數(shù)雖高控制卻極其復(fù)雜[2，3]。因此，具有部分解耦特點(diǎn)的雙開關(guān)PFC電路成為研究的熱點(diǎn)。另外，傳統(tǒng)的硬開關(guān)逆變器在高開關(guān)頻率下難以保持較高的效率。而軟開關(guān)逆變器可減小功率器件開關(guān)損耗，在高開關(guān)頻率及高效率要求的場(chǎng)合更具有優(yōu)勢(shì)[4，5]。

本文對(duì)傳統(tǒng)變頻器主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過三相電壓的中性點(diǎn)將電路分成完全獨(dú)立的兩部分，三相PFC電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(continuous conduction mode)下，前端的三相電感的感量小于100 μH，功率因數(shù)為0.991，軟開關(guān)電路雖增加了三個(gè)輔助開關(guān)，但降低了控制難度，母線零電壓凹槽的位置和長(zhǎng)度可靈活控制。

1 主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

主電路結(jié)構(gòu)如圖1。前端三相PFC使用雙開關(guān)進(jìn)行部分解耦，三相輸入電壓的中性線與輔助開關(guān)管S1和S2(均帶反并二極管)的中點(diǎn)相連，該電路上、下半橋相互獨(dú)立，形成部分解耦的基礎(chǔ)，開關(guān)器件承受的電壓只有輸出電壓的一半，降低了開關(guān)管的耐壓要求。在CCM下，已知三相輸入電壓為

圖1 主電路圖

(1)

由于三相電壓對(duì)稱性，以a相電壓正半周為例，在t∈[0～π]分三個(gè)狀態(tài)分析。三相雙開關(guān)PFC電路上、下半橋獨(dú)立，等效為單開關(guān)boost升壓電路，用D表示占空比，則

(2)

其中Uo1為半橋輸出電壓，Ua為a相的相電壓。

當(dāng)t∈[0～π/6]，由于Uc>Ua>0，a相電流工作在斷續(xù)狀態(tài)，此時(shí)受控的是c相電流，a相電流處于被動(dòng)校正，電流相位完全受c相控制，因此，在任意開關(guān)周期內(nèi)a相的平均電流為

(3)

當(dāng)t∈[π/6，5π/6]，Ua最大，a相電流工作在連續(xù)狀態(tài)，只要控制a相的電流跟蹤其電壓，就可以實(shí)現(xiàn)a相電流的正弦化，在任意開關(guān)周期內(nèi)a相的平均電流為

(4)

當(dāng)t∈[5π/6，π]，由于Ub>Ua>0，此時(shí)a相電流仍然工作在斷續(xù)狀態(tài)，并且a相電流相位受b相控制，在任意開關(guān)周期內(nèi)a相的平均電流為

(5)

通過上述分析，只要采集當(dāng)前狀態(tài)下的最大相電壓，使每相電流跟蹤最大相電壓，就可實(shí)現(xiàn)電流相位校正，在[π/6～5π/6]a相電流完全可控，既使a相電流得到最大補(bǔ)償，又使相鄰相電流得到被動(dòng)補(bǔ)償，但由于電路處于部分解耦狀態(tài)，在[0～π/6]及[5π/6，π]，a相電流分別受控于b或c相，無法對(duì)a相進(jìn)行獨(dú)立控制，補(bǔ)償效果并不理想，如何優(yōu)化控制，以減小a相電流諧波仍有待解決[6]。

后端使用直流母線零電壓軟開關(guān)逆變電路。

該電路增加了三個(gè)輔助開關(guān)S3、S4和S5，續(xù)流二極管Dr以及諧振電感Lr和電容Cr構(gòu)成諧振回路。使用兩個(gè)輔助開關(guān)同樣能完成軟開關(guān)動(dòng)作，但要瞬間短路逆變側(cè)絕緣柵雙極晶體管IGBT(insulated bate bipolar transistor)以保證諧振電感電流的反相增大，可靠性不高[7]。等效電路如圖2，逆變側(cè)以一個(gè)IGBT和反并二極管代替。

圖2 零電壓導(dǎo)通等效電路

在一次零電壓過程中共經(jīng)歷6個(gè)狀態(tài)，規(guī)定圖中所示的Io方向?yàn)檎?/p>

狀態(tài)1(t0～t1)：電路處于初態(tài)，S5開通，S3和S4關(guān)斷，iLr(t)=0，uCr(t)=E。

狀態(tài)2(t1～t2)：開關(guān)S3在零電流條件下開通(ZCS)，S5在零電壓條件下關(guān)斷(ZVS)，電流方向?yàn)镃r→Lr→S3→E/2，Lr和Cr發(fā)生第一次諧振，經(jīng)過Δt2時(shí)間后，iLr(t)=0，uCr(t)=0。這里S3的開通時(shí)間必須大于電壓回零時(shí)間，保證母線電壓完全降為零，電流和電壓方程為

(6)

其中初態(tài)為iLr(t1)=0，ucr(t1)=E。

解該方程可得電流和電壓表達(dá)式為

(7)

狀態(tài)3(t2～t3)：母線電壓維持在零點(diǎn)，此時(shí)可以開通逆變側(cè)的IGBT，實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)，此時(shí)可關(guān)斷S3，以保證S4的正常關(guān)斷。

狀態(tài)4(t3～t4)：其他開關(guān)狀態(tài)不變，開通S4(ZCS)給Lr充電，母線電壓開始上升，此時(shí)電流方向?yàn)椋篍/2→S4→Lr→Cr，經(jīng)過Δt4時(shí)間后，使iLr(t4)=Io。諧振回路和第一次諧振反向，電流和電壓方程同公式(6)，初態(tài)不同。解得電流和電壓為

(8)

狀態(tài)5(t4～t5)：第二次諧振，電流維持原方向，經(jīng)過Δt5時(shí)間后，iLr諧振回到初始狀態(tài)Io，uCr(t)=E。

狀態(tài)6(t5～t6)：開通S5，關(guān)斷S4，iLr逐漸減小到零，Dr自然導(dǎo)通續(xù)流。

據(jù)上分析，只要在狀態(tài)3開通逆變側(cè)的IGBT就能實(shí)現(xiàn)零壓導(dǎo)通，通過算法處理得到具有零壓開通特性的SVPWM脈沖，由于諧振頻率遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率，為逆變IGBT預(yù)留了足夠時(shí)間，輔助開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生與逆變器的調(diào)制方法無關(guān)，可滿足不同類型的PWM調(diào)制策略。此外，因逆變IGBT在零壓導(dǎo)通，上、下橋臂直通時(shí)回路中電壓為零，不需考慮死區(qū)效應(yīng)和死區(qū)補(bǔ)償，便于軟件處理。

2 參數(shù)確定及仿真

本文仿真是基于Matlab/Simulink平臺(tái)，應(yīng)用SimPowerSystems模塊中的元件搭建而成。

前端PFC電路的主要作用是抑制電網(wǎng)諧波并為后端提供穩(wěn)定的直流電源800 V，三相的儲(chǔ)能電感L的選值是關(guān)鍵，技術(shù)指標(biāo)為：輸入三相交流電380 V；IGBT開關(guān)頻率10 kHz；輸出功率57 kW；輸出直流電壓800 V；額定輸入電壓的升壓比為：

(9)

根據(jù)單開關(guān)的boost升壓電路工作在CCM模式下，可計(jì)算出D的最大值，而實(shí)際電流有一段時(shí)間為斷續(xù)模式，占空比可取最大值的90%，那么在輸出800 V直流電壓時(shí)：

(10)

電路工作在CCM模式下的輸出功率為

(11)

可得電感L=82 μH。

由于在主電路采用了三相PFC，在一個(gè)市電周期內(nèi)輸入的功率恒定，因此其輸出濾波電容比相應(yīng)功率級(jí)的單相電路要小，取C=500 μF，用兩個(gè)1000 μF/450 V的電容串聯(lián)而成。

軟開關(guān)電路和前端的PFC相互獨(dú)立，根據(jù)諧振頻率計(jì)算諧振電感Lr和電容Cr的值，技術(shù)指標(biāo)為：輸入直流電壓800 V(即PFC電路輸出電壓)；異步電機(jī)額定功率30 kW；輸出電壓380 V；輸出額定電流76 A；變頻器最大工作頻率1 kHz；載波頻率8～9 kHz；諧振頻率100 kHz；電路在兩次諧振中Cr等效成交流電源，Cr和Lr構(gòu)成串聯(lián)諧振電路。諧振頻率條件為

(12)

由于諧振電流的平均值和負(fù)載電流平均值相等，通過計(jì)算取Lr=0.5 μH，Cr=5 μF。

圖3為三相FPC中a相的電流和電壓波形，圖4選取4個(gè)周期內(nèi)a相和c相的電流進(jìn)行比較，可以看出a相電流在零點(diǎn)附近的電流波形較平坦，相位補(bǔ)償?shù)男Ч^差，而此時(shí)c相的電流得到了最大的補(bǔ)償，這是由部分解耦本身的特點(diǎn)所決定的。圖5為三相PFC全橋輸出電壓800 V和半橋電壓400 V，波形平穩(wěn)且超調(diào)小。

圖3 a相電壓和電流波形

軟開關(guān)仿真中三個(gè)輔助開關(guān)的動(dòng)作情況和母線電壓如圖6所示，可得在S5關(guān)斷后立即打開S3，Cr和Lr進(jìn)入第一次諧振，使Ucr降到零點(diǎn)，開通S4之后，母線電壓立即上升，通過第二次諧振使Ucr達(dá)到800 V?？梢?，零電壓的凹槽的位置由S3決定，而長(zhǎng)度由S4決定。

圖4 a相和c相電流波形

圖5 三相PFC全橋輸出電壓波形

圖6 ZVS中輔助開關(guān)動(dòng)作及母線電壓波形

3 結(jié)語

本文將雙開關(guān)PFC技術(shù)、ZVS技術(shù)與變頻器結(jié)合，通過理論分析和Matlab仿真驗(yàn)證了這種結(jié)

合是可行的，從仿真波形可得，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、帶載能力強(qiáng)、直流母線電壓可控、為零電壓開通提供了條件。該電路具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[2] Meng Tao, Ben Hongqi, Wang Daqing,etal.Research on a novel three-phase single-stage boost DCM PFC topology and the dead zone of its input current[C]∥IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Washington, USA: 2009.

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Three-phasePFCandSoft-switchTechnologyintheApplicationofInverter

SHEN Jin-fei， DING Yang

(Institute of Electrical Automation, Jiang Nan University, Wuxi 214122, China)

Based on traditional inverter, the paper proposed a new circuit with power factor correction and soft-switch technology, which improves the power quality of grid and reduces power consumption. Power factor correction uses a dual switch PFC circuit with a new CCM model and provides a stable DC voltage source with low EMI and is suitable for high power. Behind that a zero-voltage turn-on circuit which consists of three auxiliary switches and LC resonant circuit is adopted. It is easy to control. At last, the paper verified its ability to test with inductive loads by software simulation.

power factor correction(PFC)； two-switch； soft-switch； zero voltage switching (ZVS)

2011-07-26；

2011-09-02

TN773

A

1003-8930(2011)06-0092-04

沈錦飛(1955-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制。Email:sjf_9@hotmail.com 丁 楊(1982-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)與控制。Email:dy452876@126.com