一种基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究与设计

王 宏，王子成，崔光照

(郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002)



一种基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究与设计

王 宏，王子成，崔光照

(郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002)

目前国内外针对软开关技术的理论进展非常迅速，在交流调速系统中引入软开关逆变技术更是目前的热点研究方向之一，但其应用设计和研究却非常不够。为了解决逆变器电路中的开关损耗问题，提高开关频率，文章在对辅助二极管谐振极软开关逆变器(ADRPI)拓扑结构以及工作原理分析的基础上，设计完成了基于ADRPI的软开关三相逆变器，并进行了仿真分析和实验验证，实验表明，设计的软开关逆变电路能够较好地工作在软开关状态下, 且结构简单、实用性强，为ADRPI软开关逆变器在交流调速系统中的实际应用奠定了基础。

软开关技术；逆变器；交流调速系统

0 引言

软开关逆变技术从1986 年一出现就以其显著优于常规硬性开关逆变技术的诸多特点而显示出了蓬勃的生命力, 并引起了各国专家学者越来越多的关注。在交流变频调速系统中引入软开关逆变技术更是目前日益受到国际传动界重视的热点研究方向之一。近年来，国内外对于软开关技术的研究进展不一，主要表现在：国外特别是发达国家对于软开关技术的研究起步较早，其样机己达到工业应用水平，有些产品已经形成了市场化，例如：美国能源部Oak Ridg国家实验室已经在混合电动汽车中成功的应用了辅助换相软开关逆变器，实验结果令人满意；此外，由于近年来出现的能源危机，软开关逆变技术在新能源的开发和利用领域的地位也日益凸显，像德国著名电气企业西门子已经推出了以并网型逆变器为代表的产品，而且除欧洲的科技强国外，像美国，日本等国家也已经实现了市场化的产品，其控制系统也已实现全数字化[1]。相对国外，国内对于软开关逆变器的研究起步较晚，这表现在国内的研究大都集中在DC-DC变换器和开关电源上，虽然不断有新的拓扑结构和新的控制策略出现，但是大多还只是停留在理论和实验研究方面，能够推向市场的逆变器产品不多。因此研究新型的软开关逆变器具有重要意义，同时对于跟踪国际先进理论和技术是非常必要的。

迄今为止，各种软开关逆变器的新型拓扑结构层出不穷，这些拓扑结构大致可分为两类。第一类是谐振直流环节逆变器，其主要特点是谐振电压峰值高，电压应力大，同时电压过零点与逆变器开关策略难以同步，易产生大量次谐波，常见的有谐振直流环节逆变器、准谐振直流环节逆变器等。第二类是极谐振逆变器，其主要特点是克服了电压应力高的缺点，常见的有辅助二极管谐振极逆变器(ADRPI)，软开关过渡PWM技术逆变器等。此外，ADRPI逆变桥的各相相互独立，便于采用常规的PWM调制策略进行输出电压控制[2]。

本文以异步电机为被控对象，通过对几种常见软开关逆变器的优缺点比较以及在对ADRPI工作机理分析的基础上，设计完成了基于ADRPI的软开关三相逆变器，通过系统仿真与实验验证了其正确性与可行性，为ADRPI在交流调速系统中获的实际应用奠定了基础。

1 ADRPI拓扑结构分析

图1所示为ADRPI一条变换桥臂的原理结构图。该电路包括两个双极性晶体管VT1、VT2和两个反并联二极管VD1、VD2，电感L与电容C3、C4共同构成谐振电路并在电路中起储能和谐振的作用，续流二极管VD4和钳位二极管VD3分别与C4、C3并联连接，电容C1、C2作用是作为开关器件的无损耗关断缓冲电路。该电路结构不仅可实现续流二极管和开关管的开通，还可通过合适的电路安排及适当的开关次序消除电路中所有主要寄生成分的影响。另外，该拓扑结构通过在逆变桥臂上附加辅助谐振电路，使开关器件在零电压下导通，在缓冲电容保护下关断，可有效减小器件的开关损耗，实现软开关操作[3]。

图1 ADRPI原理电路

首先定义VT1导通，VT2截止为“1”状态，VT1截止，VT2导通为“0”状态，则ADRPI电路的基本工作原理可简述如下：

(1) 设电路初始状态为“1”状态，此时VT1导通，此时流过电感L的电流线性增加，并且对电容C4充电，此时UC4极电压增加。当UC4=US时，二极管VD3导通，极电压UC4被钳位为US。

(2) 当电路需从“1”→“0”状态时，关断VT1，电感电流iL通过二极管VD2续流，此时iL一部分继续对C4充电，使其电压稳定为US，另一部提供给电机的线圈。当iL由稳定正值谐振到零，此时VD2截止，这时VT2管集电极电压Uce=0并自然导通，随后电容C4放电，同时iL由零值反向增加，当UC4谐振到零时，二极管VD4导通，UC4被VD4钳位为零。

(3) 当PWM调制要求电路从“0” →“1”状态时，在缓冲电容C1、C2的作用下关断VT2，iL通过二极管VD1续流，电感L与电容C3、C4再次谐振，当iL由负变正时，VT1在零电压条件下自然导通，当UC4谐振到US时，二极管VD3导通，UC4被钳位到为US，电感电流iL保持正值，UL等于零，电路回到“1”状态。

ADRPI变换桥臂的一个工作过程按照上述工作原理可分为六个时间段，其中有两个电感电流线性变化段，在这两个时间间隔中，输出电压UC4被钳位在零或US；有两个谐振段，谐振在L与C3之C4间进行；还有两个稳态段，在这两段间隔，输出电压UC4被钳位在零或US，电感电流iL为稳定负值或正值，这两段间隔的持续时间由系统的PWM调制所决定。电感电流iL和输出电压UC4波形如图2所示[4]。

图2 ADRPI负载时的电压电流波形

2 基于ADRPI的软开关三相逆变器设计

目前，常见的软开关逆变电路有零电压开关准谐振电路、零电压转换PWM电路、谐振直流环以及ADRPI逆变器电路，它们均具有各自的特点：

(1)零电压开关准谐振电路。该电路结构简单，但其谐振电压峰值高于输入电压ui的2倍，开关S的耐压性要求高，电路成本增加，可靠性降低。

(2)谐振直流环。该电路是适用于变频器的一种开关电路，但同零电压开关准谐振电路相似，谐振直流环电路中电压ucr谐振峰值很高，管子耐压性要求高。

(3)零电压转换PWM电路。该电路是另一种常用的软开关电路，它内部简单且效率高，但其控制比较复杂，且整个电路效率的提高有限。

(4)ADRPI软开关逆变器电路。通过前面对该电路拓扑结构及工作原理的分析，该电路是极谐振型逆变器中的一种典型拓扑结构，它不但克服了DC环节谐振型逆变器普遍存在的电压应力高的严重缺点，还具有三相桥臂之间操作相互独立、控制灵活、可方便地实现各种PWM调制策略等一系列优点，所以本文将进行基于ADRPI的软开关三相逆变器设计[5]。

图3 基于ADRPI的软开关逆变电路图

如图3所示为设计的基于ADRPI的软开关三相逆变电路的电路图。在设计当中，通过对当前电力电子器件性能的比较以及考虑本设计是适合于中小型逆变调速系统，从高频化、集成化、价格低等方面综合考虑，最终选择功率MOSFET管作为开关器件，型号为intersil公司生产的IRFP460。此外，为了保证开关管VT1和VT2实现零电压或零电流软开关操作的可靠性，为此零电压操作必须要检测电容电压。常见的电压传感器有CHV-25P、CHV-100等型号，在本设计中采用CHV-100型电压传感器，该电压传感器是原边电路与副边电路绝缘的传感器，可精确测量直流、交流和脉动电压或小电流[6]。

3 软开关电路的仿真与实验

3.1 ADRPI软开关电路的仿真研究

为了简化系统，这里只针对ADRPI软开关三相逆变器当中的一条单桥臂进行了建模和仿真，如图4所示是利用MATLAB的SIMULINK下建立的单桥臂仿真模型。仿真参数为：正弦波频率为1kHz ，三角波频率为40kHz ，负载电流I0为20A，直流母线电压为220V。主电路参数为：L=12μH，C1=C2=0.027μF，C3=C4=0.168μF，延时模块的延时为1.3μs[7]

图4 ADRPI软开关逆变器单桥臂仿真模型

仿真波形如图5所示。从图中可以看出uC2,iL,uC4的仿真波形图与前面理论分析时的波形图是一致的，这表明所建立的仿真模型是正确的。

图5 ADRPI单相桥臂仿真波形

改变仿真参数时，令I0=30A，仿真波形如图6所示。由图6可以知道此时主电路参数已不满足实现软开关的要求，其原因是：iL已不能反向，且总大于零。此时，VT1已不能零电压开通，而是硬开通。研究表明，所建立的仿真模型能够反映系统物理条件的改变，因此该仿真模型可以方便地进行参数设计与调试研究。

图6 I0=30A时的仿真波形

3.2ADRPI软开关电路的实验研究

为了进一步验证所建立模型的正确性，根据前面在MATLAB下的仿真所设计的参数建立实验系统，实验波形如图7所示，其中iL,uC4的实验波形是符合理论分析的，另外逆变器的输出电流和输出电压基本上具有较好的正弦度，表明所设计的系统参数是有效的，所建立的仿真模型是正确的[8]。

图7 实验波形

4 结束语

辅助二极管谐振极逆变器是一种性能优良的软开关逆变电路。本文首先对ADRPI拓扑结构及工作原理进行了分析，随后又对几种常见软开关逆变器的优缺点进行了比较分析，在此基础上建立了基于ADRPI的软开关三相逆变电路，通过系统仿真及实验表明：该电路拓扑结构简单，控制方便，可靠性较高，为ADRPI软开关逆变器在交流调速系统中的进一步应用奠定了基础。

[1]BellarMD,WuTS,TchamdjouA,etal.Areviewofsoft-switchedDC-ACconverter[J] .IEEETransactionsonIndustryApplications, 1998(4) : 847- 860.

[2]刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]秦森，张恕远，陈小静.辅助二极管谐振极逆变器中零电压检测问题中的研究在逆变器中的应用研究[J].电测与仪表，2010，47(531)：70-72.

[4]XianZhang,YunpingZou,JieZhang,etal.InvestigationofAuxiliaryDiodeResonantPoleInverter[J].IEEEPEDS,2001:643-646.

[5]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]DivanDM,SkibinskiG.Zero-switching-lossinvertersforhigh-powerapplication[J] .IEEETransactionsonIndustryApplications, 2002, 25(4) : 634-643(Ch).

[7]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2007.

[8]王金梅，贾周，师洪涛.辅助谐振软开关逆变电路的设计与实现[J].武汉大学学报(理工版),2010，56(6): 667-671.

(编辑 李秀敏)

A Design and Research of Inverter Circuit of AC Drive System Based on Soft-switching Technology

WANG Hong，WANG Zi-cheng，CUI Guang-zhao

(Department of Electric and Information Engineer, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002,China)

Now the theories with relation to soft-switching technology home and broad are advancing very fast, one of a hot spot research direction is the soft-switching inverter technology in AC Drive System, but the soft-switching technology achieves much less application in inverter technology. In order to solve the problem of switching losses and improve the switching frequency in inverter, the paper analyzes the topology configuration and work principle of the soft-switching inverter employing ADRPI, based on which, the ADRPI soft-switch Three-Phase inverter circuit has been designed. The effects to the auxiliary-resonant soft-switching inverter circuit by modulating its resonant parameters are well researched. At last come to the purpose of reducing switch lost of power device efficiently and the model of this auxiliary-resonant soft-switching inverter circuit is proved correct，and it has laid the foundation to the application of the ADRPI soft-switch technology in AC Drive System.

soft-switch technology; inverter; the AC drive system

1001-2265(2014)01-0117-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.033

2013-04-05；

2013-06-20

王宏(1977—)，男，河南平顶山人，郑州轻工业学院讲师，硕士，主研方向为计算机控制及自动化检测；王子成(1976—)，男，河南商丘人，郑州轻工业学院副教授，博士，主研方向计算机计算及系统工程，(E-mail)wanghong@zzuli.edu.cn

TH39；TG659

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