新型三相低能耗諧振直流環(huán)節(jié)逆變器

王 強(qiáng)，郭國(guó)先，王天施，劉曉琴

（1.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)石油化工過(guò)程控制國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧撫順 113001）

1 引言

由于硬開(kāi)關(guān)逆變器在開(kāi)關(guān)切換期間會(huì)產(chǎn)生電壓和電流的交叉重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生功率損耗，同時(shí)隨著開(kāi)關(guān)頻率不斷增高，其開(kāi)關(guān)損耗和器件發(fā)熱量逐漸增大.在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中軟開(kāi)關(guān)逆變器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，軟開(kāi)關(guān)逆變器可以實(shí)現(xiàn)高頻化，在開(kāi)關(guān)切換期間可以實(shí)現(xiàn)軟切換，降低了開(kāi)關(guān)損耗.

軟開(kāi)關(guān)逆變器包含諧振極逆變器［1］和諧振直流環(huán)節(jié)逆變器［2～5］，諧振直流環(huán)節(jié)逆變器具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輔助器件較少，硬件成本低等優(yōu)點(diǎn).因此，科研人員近些年已提出了多種諧振直流環(huán)節(jié)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是仍需改進(jìn).在輔助電路的控制方面，文獻(xiàn)［2～4］的輔助電路在控制輔助開(kāi)關(guān)的切換時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流過(guò)諧振電感的電流是否達(dá)到閾值，而且該閾值隨負(fù)載電流的變化而變化，導(dǎo)致輔助電路控制變復(fù)雜；在實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的類(lèi)型方面，文獻(xiàn)［2～5］的逆變器橋臂上的主開(kāi)關(guān)和直流母線上串聯(lián)的輔助開(kāi)關(guān)都能實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)通和零電壓軟關(guān)斷，當(dāng)三相逆變器應(yīng)用在較大功率場(chǎng)合時(shí)，常以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為開(kāi)關(guān)器件，IGBT在關(guān)斷時(shí)存在的拖尾電流會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷損耗，所以實(shí)現(xiàn)零電流軟關(guān)斷對(duì)于以IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的逆變器更有意義，但是文獻(xiàn)［2～5］的逆變器主開(kāi)關(guān)和直流母線上的輔助開(kāi)關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電流軟關(guān)斷.

文中提出了新型三相低能耗諧振直流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變器，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）輔助電路在控制過(guò)程中，并聯(lián)支路上的輔助開(kāi)關(guān)開(kāi)通后直接觸發(fā)諧振，控制輔助開(kāi)關(guān)的切換時(shí)，不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧振電流的變化；（2）逆變器主開(kāi)關(guān)沒(méi)有并聯(lián)緩沖電容，主開(kāi)關(guān)和串聯(lián)在直流母線上的輔助開(kāi)關(guān)既能完成零電壓軟開(kāi)通，又能完成零電流軟關(guān)斷，真正實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)損耗等于零.本文詳細(xì)分析了1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電路工作狀態(tài)，最終在一臺(tái)2.5 kW的三相實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上驗(yàn)證了該逆變器的有效性.

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作流程

2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1給出了本文提出的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器主電路.主電路包含直流電源，位于直流環(huán)節(jié)的輔助諧振電路以及三相逆變電路.輔助開(kāi)關(guān)器件Sr1和Sr2，輔助二極管Dr1和Dr2，耦合諧振電感Lr1和Lr2以及諧振電容Cr1和Cr2組成了輔助諧振電路.當(dāng)輔助電路發(fā)生諧振時(shí)，能使逆變器輸入端的直流母線電壓變化到零，三相逆變電路的主開(kāi)關(guān)能完成零電壓軟開(kāi)通和零電流軟關(guān)斷，使開(kāi)關(guān)損耗降低.

圖1 新型三相低能耗諧振直流環(huán)節(jié)逆變器主電路

2.2 工作流程

為了簡(jiǎn)化分析，可以假定：（1）各器件都為理想器件；（2）負(fù)載電感值可以認(rèn)為足夠大，逆變器輸出端電流Io為恒定值，逆變器輸出端負(fù)載可以看作是恒流源；（3）開(kāi)關(guān)器件SIN和續(xù)流二極管DIN組成了三相逆變電路的等效電路.逆變器等效電路及物理量的參考正方向如圖2所示，10個(gè)工作流程被包含在主開(kāi)關(guān)的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi).圖3給出了電路的特征波形，圖4給出了各工作流程等效電路圖.

圖2 逆變器等效電路

圖3 諧振換流期間的理論工作波形

圖4 各工作流程的等效電路圖

（1）流程1（t～t0）：Sr1處于導(dǎo)通狀態(tài)，直流電源Ud向負(fù)載供電，電路處于穩(wěn)態(tài).

（2）流程2（t0～t1）：在t0時(shí)刻，開(kāi)通Sr2，Lr2限制了Sr2發(fā)生開(kāi)通動(dòng)作時(shí)電流上升速度，因此Sr2在開(kāi)通時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電流軟開(kāi)通.Sr2開(kāi)通以后，Lr2和Cr2進(jìn)入諧振狀態(tài)，Lr2被充電，Cr2放電，流過(guò)Lr2的電流iLr2從零開(kāi)始正向增大，Cr2端電壓uCr2從U1開(kāi)始正向減小.在t1時(shí)刻，當(dāng)iLr2正向增大到與負(fù)載電流Io相等，uCr2正向減小到U2時(shí)，流過(guò)Sr1的電流變化到零，流程2結(jié)束.

（3）流程3（t1～t2）：在t1時(shí)刻，關(guān)斷Sr1，因?yàn)镾r1發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，流過(guò)Sr1的電流已經(jīng)等于零，所以Sr1在關(guān)斷時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電流軟關(guān)斷.Sr1關(guān)斷以后，Lr2和Cr2繼續(xù)處于諧振狀態(tài)，Cr2繼續(xù)放電，Lr2繼續(xù)被充電，uCr2從U2開(kāi)始繼續(xù)正向減小，iLr2從I1開(kāi)始繼續(xù)正向增大，電流開(kāi)始流過(guò)Dr1.在t2時(shí)刻，uCr2減小到零，iLr2增大到I2時(shí)，流程3結(jié)束.

（4）流程4（t2～t3）：在t2時(shí)刻，uCr2減小到零，電流開(kāi)始流過(guò)Dr2，諧振過(guò)程結(jié)束，電流開(kāi)始同時(shí)流過(guò)Lr1和Lr2，iLr1從零快速增大到I2/2，iLr2從I2快速減小到I2/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，電路處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

（5）流程5（t3～t4）：在t3時(shí)刻，關(guān)斷Sr2，因?yàn)镃r1和Cr2共同限制了Sr2發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)電壓上升速度，所以Sr2在關(guān)斷時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟關(guān)斷.同時(shí)在t3時(shí)刻，iLr1從I2/2快速增大到I2，iLr2從I2/2快速減小到零.在t3時(shí)刻開(kāi)始，負(fù)載電流I0開(kāi)始流過(guò)Cr1，同時(shí)Lr1和Cr2開(kāi)始進(jìn)入諧振狀態(tài)，Cr1和Cr2被充電，Lr1放電，uCr1從零開(kāi)始正向線性增大，uCr2從零開(kāi)始正向非線性增大，iLr1從I2開(kāi)始減小.uCr1線性增大到Ud時(shí)，直流母線電壓upn線性減小到零.在t4時(shí)刻，uCr1等于Ud，uCr2增大到U3，iLr1減小到零時(shí)，諧振結(jié)束，流程5結(jié)束.

（6）流程6（t4～t5）：在該流程中，直流母線電壓upn等于零，直流電源不向負(fù)載供電，負(fù)載電流Io通過(guò)等效二極管DIN續(xù)流.在該流程中，逆變器的主開(kāi)關(guān)能完成零電壓軟開(kāi)通和零電流軟關(guān)斷.

（7）流程7（t5～t6）：在t5時(shí)刻，開(kāi)通Sr2，因?yàn)長(zhǎng)r2限制了Sr2發(fā)生開(kāi)通動(dòng)作時(shí)電流上升速度，所以Sr2在開(kāi)通時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電流軟開(kāi)通.Sr2開(kāi)通以后，Lr2和Cr2進(jìn)入諧振狀態(tài)，Cr2放電，Lr2被充電，uCr2從U3開(kāi)始逐漸減小，iLr2從零開(kāi)始逐漸增大.在t6時(shí)刻，uCr2減小到U4，iLr2增大到與Io相等時(shí)，流程7結(jié)束.

（8）流程8（t6～t7）：在t6時(shí)刻，等效二極管DIN自然關(guān)斷，Lr2，Cr1和Cr2進(jìn)入諧振狀態(tài)，Cr1和Cr2放電，Lr2被充電，uCr1從Ud開(kāi)始減小，uCr2從U5開(kāi)始減小，iLr2從Io開(kāi)始繼續(xù)增大.在t7時(shí)刻，uCr1和uCr2都減小到零，iLr2增大到I3時(shí)，流程8結(jié)束.

（9）流程9（t7～t8）：在t7時(shí)刻，開(kāi)通Sr1，因?yàn)樵赟r1開(kāi)通前，Sr1的端電壓已經(jīng)等于零，所以Sr1在開(kāi)通時(shí)處于零電壓軟開(kāi)通狀態(tài).同時(shí)uCr2減小到零，電流開(kāi)始流過(guò)Dr2，諧振過(guò)程結(jié)束，電流開(kāi)始同時(shí)流過(guò)Lr1和Lr2，iLr1從零快速增大到I3/2，iLr2從I3快速減小到I3/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，電路處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

（10）流程10（t8～t9）：在t8時(shí)刻，關(guān)斷Sr2，因?yàn)镃r2限制了開(kāi)關(guān)Sr2發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)電壓上升速度，所以Sr2在關(guān)斷時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟關(guān)斷.同時(shí)在t8時(shí)刻，iLr1從I3/2快速增大到I3，iLr2從I3/2快速減小到零.從t8時(shí)刻開(kāi)始，直流電源通過(guò)開(kāi)通的Sr1向負(fù)載供電，同時(shí)Lr1和Cr2進(jìn)入諧振狀態(tài)，Lr1放電，Cr2被充電，iLr1從I3開(kāi)始正向減小，uCr2從零開(kāi)始正向增大.在t9時(shí)刻，iLr1正向減小到零，uCr2正向增大到U1時(shí)，流程10結(jié)束.

至此，電路在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的工作流程分析完畢，然后電路重新返回流程1，進(jìn)入下1個(gè)開(kāi)關(guān)周期的工作.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D1所示主電路，完成了三相實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制，本文采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）方法作為控制策略.樣機(jī)參數(shù)如下：額定輸出功率P0=2.5 kW，直流電源電壓Ud=250 V，負(fù)載電感LA=LB=LC=1 mH，負(fù)載電阻RA=RB=RC=7.5 Ω，最大負(fù)載電流為Iomax=15 A，最小負(fù)載電流Iomin=2 A，輸出相電壓有效值U1=80 V，輔助開(kāi)關(guān)Sr2的觸發(fā)脈沖占空比ρSr2為0.155，諧振電感Lr1=Lr2=7 μH，諧振電容Cr1=39 nF，Cr2=0.22 μF，開(kāi)關(guān)頻率fc=20 kHz.

相關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，實(shí)驗(yàn)波形中的電壓和電流取的正方向與圖2中的標(biāo)注一致.輔助開(kāi)關(guān)Sr1發(fā)生切換動(dòng)作時(shí)電壓uSr1和電流iSr1的實(shí)驗(yàn)波形如圖5（a）所示，由波形圖得出Sr1發(fā)生開(kāi)通動(dòng)作時(shí)，在電流iSr1增大前，電壓uSr1已經(jīng)變化到零，開(kāi)關(guān)Sr1開(kāi)通時(shí)處于零電壓軟開(kāi)通狀態(tài)；同時(shí)可以得出Sr1發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，在電壓uSr1增大前，電流iSr1已經(jīng)變化到零，開(kāi)關(guān)Sr1關(guān)斷時(shí)處于零電流軟關(guān)斷狀態(tài).輔助開(kāi)關(guān)Sr2發(fā)生切換動(dòng)作時(shí)電壓uSr2和電流iSr2的實(shí)驗(yàn)波形如圖5（b）所示，由波形圖得出Sr2發(fā)生開(kāi)通動(dòng)作時(shí)，電流iSr2的變化率較低，開(kāi)關(guān)Sr2開(kāi)通時(shí)處于零電流軟開(kāi)通狀態(tài)；同時(shí)可以得出Sr2發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，電壓uSr2的變化率較低，開(kāi)關(guān)Sr2關(guān)斷時(shí)處于零電壓軟關(guān)斷狀態(tài).圖5（c）和圖5（d）分別給出了在滿載和輕載時(shí)的主開(kāi)關(guān)S1動(dòng)作時(shí)承受的電壓uS1和電流iS1的實(shí)驗(yàn)波形，由圖5（c）和圖5（d）波形圖得出主開(kāi)關(guān)S1發(fā)生開(kāi)通動(dòng)作時(shí)，電流iS1增大前，電壓uS1已經(jīng)變化到零，主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通時(shí)處于零電壓軟開(kāi)通狀態(tài)；由圖5（c）和圖5（d）同時(shí)可以得出主開(kāi)關(guān)S1發(fā)生關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，在電壓uS1增大前，電流iS1已經(jīng)變化到零，主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷時(shí)處于零電流軟關(guān)斷狀態(tài).

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

與同類(lèi)型的三相諧振直流環(huán)節(jié)逆變器相比較，本文設(shè)計(jì)的逆變器的突出優(yōu)點(diǎn)是主開(kāi)關(guān)和串接在直流母線上的輔助開(kāi)關(guān)既能實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)通動(dòng)作，又能實(shí)現(xiàn)零電流軟關(guān)斷動(dòng)作.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的結(jié)論如下：逆變器主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)都可以完成軟切換動(dòng)作.當(dāng)該三相逆變器應(yīng)用在較大功率場(chǎng)合時(shí)，有利于IGBT作為逆變器的開(kāi)關(guān)器件.