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一种高效率三相逆变器拓扑结构及其实现方法的实验研究

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一种高效率三相逆变器拓扑结构及其实现方法的实验研究

* 上海市博士后科研资助项目 , 项目编号 05R214122* 上海市教委资助项目 , 项目编号 204627文章编号 1005 7277 ( 2006 ) 06 0001 052006 年 第 28 卷第 6 期 第 1 页电 气 传 动 自 动 化ELECTRIC DRIVE AUTOMATIONVol.28 , No.62006 , 28 ( 6 ) 1 ~ 51 引言变频器的功率开关器件损耗 , 降低了系统效率。对于零电压直流环节变换器来说 , 根据其实现谐振不同 , 可大致分为两类 谐振直流环节型和极谐振型。前者近年来软开关整流和逆变技术已成为国内外同行关注的热点 , 文献 [ 1 ~ 4 ] 提出了几种软开关三相逆变器电路拓扑 , 实现了主电路功率开关器件的软开关动作。但这些电路拓扑的辅助谐振功率开关器件较多 , 不但硬件成本相对高 , 系统控制复杂 , 有的拓扑在其直流母线上串有功率开关器件 , 通过并联在直流母线上的谐振电感与并联在功率开关元件上的缓冲电容构成谐振电 路 ,使得直流母线电压周期性地降为零 , 功率开关元件就可在此时动作 , 这种结构虽相对简单 , 但降低了母线电压的利用率。后者通过并联在桥臂输入端上的谐振电感与并联在功率开关上的缓冲电容构成辅助谐振电路 , 使得桥臂输入端电压周期性地降为零或者升为母线电压 , 功率开关元件也可在零电压情况下动作。在极谐振型变换器中又可分 为 辅 助 谐 振 变 换 极 型 和 零 电 压 转 换 型 ( zero-voltage transition ) , 后者较前者不但辅助谐振电路简单而且大大降低了主功率开关管的开 关损耗 ,同时排除了主续流二极管的反向恢复问题 ; 另外由于后者辅助谐振开关是在零电流下完成导通与关断 , 且辅助谐振变换电路在一个开关周期中仅占很小一部分 , 故辅助谐振变换电路所增加的损耗对电路总效率的影响微乎其微 , 因此备受关注。本文就一种新型的交流谐振环节 ZVT 软开关三相 PWM 逆变器的主电路拓扑及其实现方法进行了实验研究 , 该拓扑具有结构简单、 控制方便、系统成本低、 效率高等特点。分析了该软开关逆变器的动作模式 , 建立了系统的 SAPWM 控制策略 ,并对系统进行了实验研究。结果表明该软开关电路拓扑能实现所有功率开关器件的软开关动作。一种高效率三相逆变器拓扑结构及其实现方法的实验研究 *丁肖宇 , 屈克庆 , 徐 健 , 陈国呈( 上海大学 机电工程与自动化学院自动化系 , 上海 200072 )摘要 对一种软开关三相 SPWM 逆变器的控制策略及实现方法作了详细的实验研究。该软开关三相逆变器的辅助谐振电路仅使用 1 个功率开关器件和 6 个二极管 , 电路结构简单 , 控制方便 , 而且由于该辅助谐振电路仅在逆变器三相桥臂上的功率开关器件需要开通的前若干微秒时间内软开关工作 , 其功率损耗很小 , 从而提高了系统的效率。实验结果证明了本控制策略的正确性。关键词 逆变器 ; ZVT ; 软开关 ; 交流谐振环节中图分类号 TM46 文献标识码 AResearch on a topology and its control strategyfor high efficient three- phase PWM inverterDING Xiao- yu , QU Ke- qing , XU Jian , CHEN Guo- cheng( School of Electro- mechanic Engineering and A utomation Shanghai Univerity , Shanghai 200072 , China )Abstract The control strategy and its implementation of three- phase soft- switching PWM inverter are researchedin details. The resonant AC circuit of this inverter includes only one power switch device and six diodes. Itstopology is simple , and convenient for control. The auxiliary resonant circuit operates by soft- switching mode inseveral microseconds before power switch devices communication , so the loss of power devices is very low , and thesystem efficient is increasing. The experimental results from show the effectiveness of the proposed control strategy.Key words inverter ; ZVT ; soft- switching ; resonant AC link1 2 3 4 5 6iWi Ui Ve se UG V 1图 3 实际采用的调制方式G V 2i V 1i V 2e U - e U2 软开关逆变器主电路拓扑及系统结构如图 1 所示为 ZVT 软开关三相 PWM 逆变器的主电路拓扑及系统结构。图 1 中功率开关器件 V 1 ~V 6 、 续流二极管 VD 1 ~ VD 6 、 缓冲电容 C 1 ~ C 6 构成逆变器主电路 ; 换流开关器件 V 、 二极管 VD ′ 1 ~ VD ′ 6 、 换流电感 L A ~ L C 构成辅助谐振换流电路。整个主电路由DSP2407 单片机控制。由图 1 可以看出 , 辅助谐振换流电路中只用了一个功率开关器件 , 系统结构简单、 成本低、 系统控制策略简单。3 逆变器工作的调制模式ZVT 软 开 关 三 相 逆 变 器 调 制 模 式 如 图 2 所示。由图 2 可见 , 本控制系统以优化的鞍形波 [ 5 ]( SAPWM ) 作为系统控制的调制信号 , 可提高逆变器输出电压 15.47% , 从而提高了直流电压的利用率。从图 1 中可以看出 , 逆变器主电路中的每一个功率开关器件上都并联有一个缓冲电容 , 由于电容电压不能突变 , 功率开关器件在任何时候关断都属零电压开关 ( ZVS ) 方式 , 因此要实现逆变器主电路的软开关动作 , 只要使逆变器功率开关器件实现零电压软开通即可。为了便于实现软开关动作 , PWM 调制的载波不采用传统的三角载波 , 而采用斜率随逆变器输出电流极性交替改变的正负斜率锯齿载波 , 当逆变器的输出电流极性为正时采用正斜率锯齿波 , 输出电流极性为负时采用负斜率锯齿波 , 如图 2 所示。这种调制方式使得逆变器所有功率开关器件的开通动作都集中到锯齿载波的垂直沿附近 , 只要在锯齿波垂直沿之前启动辅助谐振换流电路 , 就可实现三相功率开关器件软开通 , 辅助谐振电路的控制较为简单。由于单片机中的定时器只能生成正斜率锯齿载波和三角载波 , 不能产生负斜率锯齿载波 , 本文采用图 3 所示的等效正斜率锯齿载波的实现方案 ,即当逆变器的输出电流大于零时 , 采用正斜率锯齿波与调制波比较 ; 当逆变器的输出电流小于零时 ,将调制波反相 180 ( 相当于 e u ← - e u ) , 再与正斜率锯齿波进行比较。前者当调制波高于载波时 , 控制逆变器相应上桥臂的功率开关器件开通 ; 后者当调制波比载波低时 , 控制逆变器桥臂的上功率开关器件开通。通过这种用单一正斜率锯齿载波进行调制的方法 , 产生的驱动信号与图 2 的正负斜率调制效果完全相同。4 软开关动作模式为便于分析逆变器的软开关动作模式 , 下面以图 2 中区间 2 的前半部分调制模式为例进行说明。由图 2 可以看出 , 在此区间中 , 三相电压分别为 e U >0 , e V <0 , e W <0 , 而三相电流分别为 i U ≥ 0 , i V <0 , i W <0 。如图 4 所示为该区间中的动作时序。载波 e s 和参考电压 U A U X 、 三相调制波 e U 、 e V 、 e W 比较 , 生成开关1 2 3 4 5 6iWi Ui Ve se Ue se Ve we s图 2 逆变器的调制方式图 1 ZVT 软开关逆变器主电路及其控制V 5C 3VD 5C 5V 6C 4VD 6C 6V 3VD 3V 4VD 4V 1VD 1C 1V 2VD 2C 2ML AL BL CVC dE dVD 1 ′ VD 3 ′ VD 5 ′驱动电路DSP 控制核心频率给定VD 2 ′ VD 4 ′ VD 6 ′U VW 2 电 气 传 动 自 动 化 2006 年 第 6 期2006 年 第 6 期 3 丁肖宇 , 屈克庆 , 徐 健等 一种高效率三相逆变器拓扑结构及其实现方法的实验研究V 和逆变器上 6 个功率开关器件的驱动信号 , 其中参考电压 U A U X 有如下关系 [ 6 ] U A U X =1- 3LEd T si m ax ( 1 )可以看出 , 随着负载的增大 , i m ax 将增大 , U A U X 将减小 , V 的触发时刻要提前。 这是因为负载增大时 , 由于 L A 、 L B 、 L C 一定 , 要使 i U 、 i V 、 i W 全部转移到 L A 、 L B 、L C 所需的时间必然增加。由图 4 可见 , 在锯齿载波垂直沿前 , U 相上桥臂功率开关器件 V 1 关断 , 下桥臂功率开关器件 V 2开通 , V 相和 W 相 上 桥 臂 功 率 开 关 器 件 V 3 和 V 5开通 , 下桥臂功率开关器件 V 4 和 V 6 关断 , 即此时的空间电压矢量为 011 状态。在锯齿波垂直沿后 ,U 相上桥臂功率开关器件 V 1 开通 , 下桥臂功率开关器件 V 2 关断 , V 相和 W 相上桥臂功率开关器件V 3 和 V 5 关断 , 下桥臂功率开关器件 V 4 和 V 6 开通 ,即此时的空间电压矢量为 100 状态。从图 4 可看出 , 空间电压矢量 011 转换到 100 时 , 逆变器的功率开关器件的开通动作全部集中到锯齿载波的垂直沿附近 , 因此在此处启动谐振换流电路 , 就能实现逆变器功率开关器件的软开关导通动作。如图 5 所示为逆变器软开关动作的工作模式 ,共分为 11 个模式。 模式 1 在载波垂直沿前 , 逆变器处在 011 状态 , 由三相电压和电流的状态可知 , 虽然功率开关器件 V 2 、 V 3 、 V 5 是导通状态 , 但各相电流是流过续流二极管 VD 2 、 VD 3 、 VD 5 。此时端子 U 、 V 、W 的电位 UU 、 UV 、 UW 分别是 GND 、 E d 、 E d 。模式 2 充电模式。 换流开关 V 开通 , 换流电感L A 、 L B 、 L C 上的电流 i L A 、 i L B 、 i L C 线性增加 , 电流从端子V 、 W 经 L B 、 L C 、 VD ′ 3 、 VD ′ 5 、 V 、 VD ′ 2 、 L A 到端子 U 。 由于 di /dt 被换流电感 L A 、 L B 、 L C 抑制 , 换流开关 V 的开通是零电流软开通。 在模式 2 中 , 换流电感 L A 上的电流等于换流电感 L B 和 L C 上的电流之和。 随着i L A 、 i L B 、 i L C 的增大 , 续流二极管 VD 2 、 VD 3 和 VD 5 上的续流电流相应减小。当 i LA =i U 时 , VD 2 、 VD 3 、 VD 5 分别零电流关断 , 通常将该时刻控制在锯齿载波的垂直沿 ( 即 t 2 ) 处。模式 3 谐振模式。在 t 2 时刻功率开关器件 V 2 、V 3 和 V 5 关断 , 进入死区时间 , 此时所有功率开关器件均关断 , 于是逆变器 6 个缓冲电容与 3 个换流电感之间发生谐振 , 换流电流路径有两条 C 1 经 C 3 、C 5 、 L B 、 L C 、 VD ′ 3 、 VD ′ 、 V 、 VD ′ 2 、 L A 到 C 1 , 完成 C 1 放电、C 3 和 C 5 充电 ; 另一条是 C 4 、 C 6 经 L B 、 L C 、 VD ′ 3 、 VD ′ 5 、V 、 VD ′ 2 、 L A 、 C 2 到 C 4 和 C 6 , 完成 C 4 和 C 6 放电、 C 2 充电 ( 如图 5 中模式 3 所示 ) 。此时 i LA继续增大 , 直到t 3 时刻 , i L A 减小到再次等于 i U , 缓冲电容 C 1 、 C 4 和 C 6的端电压降到零 , 谐振过程结束 , 此时使功率开关器件 V 1 、 V 4 和 V 6 开通。 可见这 3 个功率开关器件都是以零电压方式开通 , 实现了 ZVS 软开通。模式 4 放电模式。在 t 3 时刻 , 功率开关器件V 1 、 V 4 和 V 6 开通 , 这些开关器件上的电流从零开始线性增长 , 而换流电感电流线性减小。当电感电流减小到零 , 即在 t 4 时刻 , 换流开关 V 关断 , 因此换流开关 V 的关断是零电流关断。模式 5 在 t 4 时刻 , 换流开关 V 关断 , 进入模式5 , 电动机由直流电源 E d 供电 , 直到 t 5 时刻 , V 相下桥臂功率开关器件 V 4 关断 , 由于 V 4 并联有缓冲电容 C 4 , 抑制了端电压的 dv/dt , 因此 V 4 是以零电压方式关断的。模式 6 V 4 关断后 , 进入死区时间 , 缓冲电容C 3 经 V 1 和 M 放电 , C 4 由直流电源 E d 经 V 1 和电机M 充电。当缓冲电容 C 3 放电到零时 , 续流二极管VD 3 受正向偏置而导通 , 此时开通 V 3 。由于续流二极管 VD 3 导通 , 因此 V 3 两端的电压为续流二极管的导通压降 , 可认为是以零电压方式开通的。模式 7 V 3 开通后 , 电动机进入模式 7 运行 , 直到 t 7 时刻 , W 相下桥臂功率开关器件 V 6 关断。 与模1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11U A U Xe Ue WeVG VG V 1G V 3G V 5T d模式e si Ui VU C 1U C2U C4U C6U C3U C5 △ T2 △ T 3t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10tttttttttt图 4 软开关动作时序i L Bi LCi LA式 5 同理 , V 6 也并 联有缓冲电 容 C 6 , 因 此也是零电压软关断。模 式 8 V 6 关 断后 , 与模式 7 进行相同的换流过程 , 直到V 5 开 通 , 模 式 8 结束。 V 5 也是零电压开通。模式 9 其动态过 程 与 模 式 7 相 同 ,完 成 U 相 上 下 桥 臂功 率 开 关 器 件 的 切换 , 同理是以零电压方式进行的。模式 10 其动态过 程 与 模 式 8 相 同 ,完 成 U 相 上 下 桥 臂功 率 开 关 器 件 的 切换 , 同理也是以零电压方式进行的。模 式 11 U 相 换相 结 束 后 , 到 模 式11 , 此 时 系 统 回 到011 矢量状态 , 即回到模式 1 。5 实验结果与分析本实验选择的系统参数为直流电压 E d =180V ; 电动机参数 1.5 kW , 4 对极 , ~ 220 V ; 缓冲电容 C r =4.7 nF ; 换流电感 L A =L B =L C =63 μ H ; 死区时间 t d =3.7 μ s ; 电力电容 C d =2200 F 。如图 6 所示为实测的实验波形 , 图 6 ( b ) 是 ( a )的局部放大。图 6 中 , 上面波形为 U C 4 , 中间波形为i L A , 下面波形为 G V 4 。 由图 6( b ) 可以看出 , 当 V 导通( 图中未标注 ) 后 , i L A 由零开始上升。在锯齿波垂直沿后 , 当 i LA =i U时 , 由于 L A 、 L B 、 L C 与 C 1 ~ C 6 之间发生LC 谐振 , U C 4( 及 U C 1 ) 下降 , 而 U C 2( U C 3 、 U C 5 ) 上升 ( 图中未表示 ) , 此时 G V 4 高有效 , 即 V 4 开通 , 因此功率开关器件是以 ZVT 开通的。如果 G V 4 开通时刻来得太迟 , 比如滞后 1 μ s , 则 C 4 两端电压将回升 , 使ZVS 动作无法实现 , 见图 6 ( c ) 。图 7 为逆变器的输出电流波形 , 可以看出 , 这些电流波形均具有较好的正弦度。 图 7 ( a ) 中 , 最大的低次谐波 5 次波与基波之差为 - 32.5 dB , 即 5 次波是基波的 2.37% ; 图 7 ( b ) 中 , 最大的低次谐波 5次波与基波之差为 - 43.75 dB , 即 5 次波是基波的0.65% ; 图 7 ( c ) 中 , 最大的低次谐波 5 次波与基波之差为 - 44.38 dB , 即 5 次波是基波的 0.6% 。图 8 为逆变器在硬开关和软开关动作下输出电流波形的比较 , 图 8 ( a ) 为硬开关条件下输出频率为 30 Hz 时的电流波形和频谱特性 , 可以看出 ,5 次谐波与基波幅值之差为 - 29.06 dB , 即 5 次谐波 幅 值 是 基 波 的 3.55% ; ( b ) 为 软 开 关 条 件 下 输出频率为 30 Hz 时的电流波形和频谱特性 , 同样可以看出 , 5 次谐波与基波幅值之差为 - 37.19 dB ,即 5 次谐波幅值是基波的 1.38% 。 显然 , 后者的特 4 电 气 传 动 自 动 化 2006 年 第 6 期C dE d M模式 11VD 2VD 3VD 5V 5V 3V 2C dE d M模式 10VD 3 VD 5V 5V 3C1C 2C dE d M模式 9VD 3VD 5V 5V 3V 1C dE d M模式 8VD 3V 3 C5C 6V 1C dE d M模式 7VD 3V 3V 1V 6图 5 软开关动作模式C dE d M模式 1VD 2VD 3VD 5V 5V 3V 2C dE d M模式 5V 1V 4 V 6L AL BL CVD 3 ′ VD 5 ′VD 2 ′VC dE d M模式 2VD 2VD 3 VD 5L AL BL CVD 3 ′ VD 5 ′VD 2 ′VC dE dC 1C 2C 3C 4C 5C 6M模式 3L AL BL CVD 3 ′ VD 5 ′VD 2 ′VC dE d M模式 4V 1V 4 V 6C dE dC 3C 4V 6M模式 6V 1( a )( b )( c ) 1 Hz图 7 软开关逆变器的输出电流波形( a ) 10 Hz性优于前者 , 这是因为前者在开关动作切换时受到死区时间的影响 [ 8 ] , 而后者虽然也设有死区时间 , 但在该死区时间里 , 辅助谐振电路在工作 , 逆变器输出的三相电流经谐振电路续流 , 基本上不受死区时间影响。( c )图 6 实测的实验波形( b ) 2 Hz( a ) 硬开关 30 Hz( b ) 软开关 30 Hz图 8 软硬开关逆变器的输出电流波形比较2006 年 第 6 期 5 丁肖宇 , 屈克庆 , 徐 健等 一种高效率三相逆变器拓扑结构及其实现方法的实验研究( 下转第 18 页 )( 上接第 5 页 )6 结论本文就一种软开关三相 SAPWM 逆变器的控制策略及实现方法作了详细的实验研究。该软开关三相逆变器的辅助谐振电路仅使用 1 个功率开关器件和 6 个二极管 , 电路结构简单 , 控制方便 ,成本相对低 , 而且由于该辅助谐振电路仅在逆变器三相桥臂上的功率开关器件需要开通的前若干微秒时间内软开关动作 , 其功率损耗甚小 , 从而提高了系统的效率。实验结果表明 , 本文采用优化的鞍形 ( SAPWM ) 调制波和正负斜率交替的锯齿波进行调制和控制策略 , 不但使逆变器的输出电流波形具有良好的正弦度 , 而且也提高了直流电压的利用率 , 实验结果证明了本控制策略的正确性。参考文献 [ 1 ] 明正峰 , 倪光正 , 钟彦儒 . 软开关技术三相 PWM 逆变器及效率的分析研究 [ J ] . 电工技术学报 , 2003 , 18 ( 4 ) 30- 34.[ 2 ] 井真一郎 , 佐藤伸二 . 共振形三相インバータ [ A ] . 平成13 年电气学会产业应用部门大会讲演论文集 [ C ] . 2001 1365- 1368.[ 3 ] Shinji Sato , Yutaka Suehiro , Shin- ichiro Nagai , Koichi Mori-ta. 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IEEE Transactions On Pow-er Electronics. 2002 , 17 ( 1 ) .[ 7 ] 薛定宇 , 陈阳泉著 . 基于 MATLAB / Simulink 的仿真技术与应用 . 清华大学出版社 , 2002.作者简介 张 伯 泽 ( 1976- ) , 男 , 硕 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 基 于 三 电 平 逆 变 器 的异步电机矢量控制。何礼高 ( 1951- ) , 男 , 高级工程师 , 硕士生导师 , 获部级科技进步奖 4 项 , 发表论文 20 余篇 , 研究方向为 现 代交 流 调 速控制及电源变换技术。收稿日期 2005- 10- 261.510.500 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6( 横坐标时间 s , 纵坐标磁链 Wb )图 8 异步电机转子磁链波形ψ r* - ψ r 18 电 气 传 动 自 动 化 2006 年 第 6 期“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““

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