基于軟開關(guān)技術(shù)的級(jí)聯(lián)式逆變器仿真研究

楊 鑫 韓如成 智澤英

（太原科技大學(xué)，太原 30024）

多電平變換技術(shù)的思想最早是在 1980年IAS年會(huì)上，由日本長崗科技大學(xué)的 A. Nabae 等人提出的[1]。主要包括二極管鉗位式、飛跨電容箝位式以及級(jí)聯(lián)型逆變器3種。由于其可以在一定程度上緩解功率開關(guān)器件耐壓不足與高壓大功率驅(qū)動(dòng)器之間的矛盾，并且可以減小 dv/dt和di/dt，降低輸出電壓的諧波含量，成為了人們?cè)诖蠊β黍?qū)動(dòng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是目前大多數(shù)的逆變器都工作在硬開關(guān)狀態(tài)，而為了達(dá)到較好的輸出效果，開關(guān)器件都工作在比較高的開關(guān)頻率下，如此會(huì)產(chǎn)生較高的開關(guān)損耗，并對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，針對(duì)這一問題很多學(xué)者致力于研究多點(diǎn)平逆變器的軟開關(guān)技術(shù)。目前大多數(shù)研究都集中在輸出效果較好的箝位式多電平逆變器的軟開關(guān)研究。但是由于箝位式多電平逆變器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在添加輔助軟開關(guān)電路之后，其電路結(jié)構(gòu)、控制方式變得更加復(fù)雜，使得電路的可靠性大大降低，目前僅局限于理論研究，無法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[2]。本文在對(duì)各種多電平逆變器及各種軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，權(quán)衡利弊，提出了一種較為實(shí)用的混合級(jí)聯(lián)式多電平逆變器，并加入了軟開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)了部分級(jí)聯(lián)單元開關(guān)器件的軟開關(guān)動(dòng)作。此種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了電路結(jié)構(gòu)、控制方式的復(fù)雜度，通過Simulink/Matlab仿真軟件驗(yàn)證了電路仍然可以達(dá)到較好的輸出效果。

1 主電路及工作原理

基于軟開關(guān)技術(shù)的新型混合級(jí)聯(lián)式多電平逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)將電路分成主、副兩部分以簡化闡述。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主級(jí)電路采用的是帶有諧振極型軟開關(guān)輔助電路的三相橋式逆變單元[3]。軟開關(guān)輔助電路為 2個(gè)反向串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件分別串聯(lián)1個(gè)電感后并聯(lián)1個(gè)電容結(jié)構(gòu)，由于文獻(xiàn)[2]對(duì)此軟開關(guān)電路工作過程做了較為詳細(xì)的分析，現(xiàn)只對(duì)其工作過程進(jìn)行簡單闡述：此軟開是通過對(duì)SF1的通斷來控制LF1,LF2,CF1,CF2的諧振以實(shí)現(xiàn)Sa1的軟開關(guān)，對(duì)與SF1反串聯(lián)的SF2的通斷控制來實(shí)現(xiàn)Sa2的軟開關(guān)。副級(jí)電路是傳統(tǒng)的 2級(jí) H橋相串聯(lián)的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主、副級(jí)逆變單元的直流側(cè)電壓均為E，主級(jí)逆變單元輸出電壓為±E，各H橋逆變單元輸出電壓為-E，0，+E，理論上整個(gè)逆變電路輸出電平分別為-2E，-E，E，2E。但是主級(jí)逆變單元的工作頻率高于副級(jí)逆變單元，使得逆變電路的最終輸出電平數(shù)高于理論輸出電平數(shù)。

本文所提出的新型逆變拓?fù)潆娐繁Ａ袅宋墨I(xiàn)[2]所提出的三相橋式軟開關(guān)電路的優(yōu)點(diǎn)又繼承了傳統(tǒng)的橋式級(jí)聯(lián)型多電平逆變拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)：①軟開關(guān)輔助電路可以分開控制，三相逆變電路也是可以獨(dú)立控制的，減少了相間的干擾；②不存在軟開關(guān)操作與逆變器開關(guān)管信號(hào)同步問題，可以很方便的采用常規(guī)的 PWM調(diào)制方式；③在實(shí)現(xiàn)主開關(guān)零電壓零點(diǎn)流開關(guān)的同時(shí)輔助開關(guān)也可以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)流開通和零電壓零電流關(guān)斷；④實(shí)現(xiàn)了逆變橋的續(xù)流二極管的軟性關(guān)斷，解決了其反向恢復(fù)問題；⑤輔助開關(guān)器件所承受的電壓被控制在了直流母線電壓值以下；⑥仍然可以實(shí)現(xiàn)電路的模塊化，當(dāng)某一單元發(fā)生故障的時(shí)候可以將其旁路而不影響電路的整體功能。除此以外，該電路H橋逆變單元工作頻率較三相橋式逆變單元低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且軟開關(guān)電路可以有效地降低高頻逆變單元的開關(guān)損耗，從而使得整體的逆變器工作效率有所提高。

2 逆變器控制策略

目前逆變器主電路最常用的的調(diào)制策略就是PWM調(diào)制方式，而PWM技術(shù)中應(yīng)用最為普遍的是正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。正弦脈寬調(diào)制在多電平逆變器中應(yīng)用比較廣泛[4]，而其又分為垂直分布載波調(diào)制和移相載波調(diào)制。結(jié)合所構(gòu)建的新型高壓大功率逆變電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過本人多次仿真比較，采用了一種具有針對(duì)性的改進(jìn)型移相載波調(diào)制策略，即主級(jí)逆變單元采用較高頻率的普通 PWM調(diào)制方式，副級(jí)逆變單元采用較低工作頻率的垂直分布載波調(diào)制方式，圖2為其示意圖，其中弧形為1/2周期的正弦波，較密的為10kHz三角載波，另外4個(gè)對(duì)稱分布與零軸上下兩側(cè)的為1kHz的三角載波。

圖2 調(diào)制策略示意圖

在各逆變單元直流側(cè)電壓等級(jí)相同的情況下，主級(jí)逆變單元工作于較高的開關(guān)頻率，作為主要功率輸出單元。副級(jí)逆變單元工作于較低開關(guān)頻率，起到改善三相橋式逆變單元所輸出電壓波形質(zhì)量的作用。在保證逆變器整體開關(guān)損耗較低的前提下，實(shí)現(xiàn)了較低的輸出電壓諧波含有率，增加了開關(guān)冗余，提高了輸出電壓。

目前的軟開關(guān)控制方式主要分為定時(shí)間控制和變時(shí)間控制兩種[5]。變時(shí)間控制指的是輔助開關(guān)開通固定時(shí)長以形成主開關(guān)管得軟開關(guān)條件；變時(shí)間控制需要大量的電壓、電流檢測(cè)電路，當(dāng)檢測(cè)到主開關(guān)管所需軟開關(guān)條件時(shí)及產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)，來達(dá)到軟開關(guān)的目的。本文采取電路結(jié)構(gòu)較為簡單的定時(shí)間控制方式，即當(dāng)主開關(guān)Sa1的開關(guān)信號(hào)到來之時(shí)，先導(dǎo)通SF1，經(jīng)過固定時(shí)長，當(dāng)達(dá)到Sa1軟開關(guān)所需條件時(shí)再給Sa1以觸發(fā)信號(hào)以使其導(dǎo)通或者關(guān)斷。

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提新型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性，采用擁有強(qiáng)大仿真功能的Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究。仿真框圖如圖3所示，仿真參數(shù)如下：各逆變單元直流電壓 E=500V，阻感負(fù)載R=4.4?，L=0.1H，假定流過諧振電感LF1的電流上升率為80A/μs，則根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]所給出的公式可以計(jì)算出諧振電路的電感、電容值分別為LF1=LF2=3.4μH ，CF1=CF2=14.39μF。由于電路具有對(duì)稱性，此處只對(duì)A相進(jìn)行分析。

圖3 系統(tǒng)仿真框圖

圖4（a）、（b）分別為新型軟開關(guān)逆變電路和傳統(tǒng)3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)型逆變電路輸出電壓波形圖。圖5（a）、（b）分別為其對(duì)應(yīng)頻譜分析圖。

圖4 新型軟開關(guān)逆變器及3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)逆變器輸出電壓波形

圖5 新型軟開關(guān)逆變器及3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)逆變器輸出電壓頻譜分析

從圖4圖5中可以看出，采用了具有針對(duì)性的調(diào)制策略以后逆變輸出電平數(shù)有所增加，而并非是理論計(jì)算的四電平輸出，使得其輸出電壓的波形更加接近正弦波。

通過傅里葉變換對(duì)分析可以得出2種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器輸出電壓總諧波畸變率分別為19.35%和19.22%，在帶有相同阻感負(fù)載的情況下，負(fù)載電流總諧波畸變率分別為 0.68%和 0.76%。由圖 5（a）和（b）可以對(duì)比出新型帶有輔助諧振電路的級(jí)聯(lián)型逆變器比傳統(tǒng)的 3H橋級(jí)聯(lián)逆變器的輸出電壓具有更多的開關(guān)冗余，有圖6的頻譜分析圖可以看出，所提出的新型軟開關(guān)級(jí)聯(lián)型逆變電路的輸出電壓中僅有特定次諧波含有量較高，而其它次的諧波含有率非常低。

4 結(jié)論

本文提出了一種帶有輔助諧振電路的三相橋式逆變單元與2級(jí)H橋逆變單元相級(jí)聯(lián)的大功率逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。較與其級(jí)聯(lián)數(shù)相同的3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)式逆變器相比，其輸出電壓的諧波含有率只是稍有增加。在比傳統(tǒng)的3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)式逆變器少了6個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)損耗的前提下，僅增加8個(gè)電容、6個(gè)電感，且輔助諧振電路僅僅在主開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)才啟動(dòng)工作，又降低了三相橋式逆變單元其它開關(guān)器件的開關(guān)損耗，使得逆變器的整體效率大大提高，降低了開關(guān)損耗，減少了逆變器主電路對(duì)周圍設(shè)備的電磁干擾。通過Matlab/Simulink仿真軟件的仿真研究證明了所提出的新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性。本電路結(jié)構(gòu)較為簡單，由于并沒增加過多的附加開關(guān)，也沒有N電平二極管鉗位電路中的大量的箝位二極管、電容等器件，在控制上也比較容易實(shí)現(xiàn)，因而是一種平衡開關(guān)損耗、輸出效果和結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜度的較為理想的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，值得更進(jìn)一步的深入研究。

[1]NABAE A, AKAHASHI I, AKAGI H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[C]. IEEE Trans.on Industry Amplications. 1981,17(3):518-523.

[2]王鴻雁,何湘寧.多電平逆變器有源軟開關(guān)技術(shù)的研究[J].電源應(yīng)用技術(shù),2002,5(7): 304-308.

[3]王強(qiáng),張化光,褚恩輝,劉秀翀,侯利民.新型零電壓零點(diǎn)流諧振機(jī)型軟開關(guān)逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(27):15-21.

[4]劉鳳君. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]賀虎城,劉衛(wèi)國,李榕,馬瑞卿. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)用新型諧振直流環(huán)節(jié)電壓源逆變器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(12):60-65.