并联准谐振直流环节型SRD软开关功率变换器

其次章 并联准谐振直流环节型SRD软开关功率变换器 近年来，软开关技术在DC-DC变换器以及三相PWM逆变器方面的应用探讨已比较深化[91-94]。而在具有典型开关特性的SRD系统中，软开关技术的应用探讨却相对较少，国内只见有个别文献报道[85]。为了克服硬开关方式给SRD系统带来的负面影响，提高自身牢靠性、适应愈来愈严格的EMC要求，更好地发挥其自身的优势，本章从分析典型SRD功率电路的特性入手，探究适用于这些SRD功率电路的软开关方案，提出一种新型软开关SRD功率电路拓扑并联准谐振直流环节型SRD功率变换器，着重介绍这种变换器的主电路拓扑、适用范围及软开关机理，并对其工作模式做了具体分析。 2.1 SRD功率变换器特点及软开关方案的确定 在三相沟通异步电动机变频调速系统中，由于三相异步电动机对外而言具有统一的形式，所以其逆变桥具有标准的六管结构，相应的软开关三相逆变器易形成统趋于一样的电路拓扑。依据实现软开关的协助谐振电路位置不同，软开关三相逆变器的拓扑形式有两大类一类是在硬开关三相逆变器的逆变桥和直流电源间加入一个由协助功率开关器件、协助谐振电感和缓冲电容构成的协助谐振电路，称作谐振直流环节逆变器[74]；另一类将协助谐振电路接在硬开关三相逆变器的逆变桥输出端，称为极谐振型逆变器[5]。但是在开关型磁阻电动机调速系统中，因为SRM的种类和形式多种多样，相应的功率变换器也五花八门，所以，考虑到通用性，类似极谐振型逆变器那样在变换器与电动机之间插入协助谐振网络的做法不行取。进一步的探讨表明，在多种形式的SRD功率电路中，如图1-3a～d所示不对称半桥型、公共开关型、H桥型和电容裂相型等拓扑形 式应用最为广泛[15]，这些电路拓扑的不同之处主要是电机相数（桥臂数）、相绕组续流路径和限制相序，而变换器输入端均相同、每个桥臂中电机绕组与开关器件均呈串联关系。鉴于此，本文提出如图2-1所示在相绕组开关电路与三相整流桥之间增加谐振直流环节并给相绕组开关并联缓冲电容，以此来实现SRD中功率器件的软开关具有较强的通用性。 2.2 并联准谐振直流环节型SRD功率变换器主电路拓扑及特点 图2-2为依据图2-1方案构想的一种SRD软开关功率变换器主电路拓扑，其中虚线框外部分为三相桥式整流和电容滤波电路，左边虚线所框部分为谐振直流环节，右边虚线框中为SRM相绕组开关电路。因为谐振直流环节中的谐振元件Lr，Cr呈并联形式接于直流母线间，并且不是总处于谐振状态，所以称之为并联准谐振直流环节（Parallel Quasi Resonant DC Link, 简称PQRDCL），将整个电路称为PQRDCL型SRD功率变换器。图2-2中Va1，Va2，Va3及VDa1，VDa2，VDa3为构成协助谐振电路的开关器件和二极管。右边虚线框中的开关器件V1～V6及二极管VD1～VD6构成不对称半桥式SRM相绕组限制电路，每个相开关都并联有缓冲电容器C1～C6。各相开关并联电容后，因电容电压不能突变，所以它们在任何时刻关断均为零电压软关断。插入PQRDCL电路的目的是为相开关开通供应零电压间隙，对该电路的要求是必需保证电路在任何时刻都能受控谐振，且不受相开关状态的影响，使得母线电压过零时间易限制，便于与相开关的限制策略同步。 本电路拓扑有以下特点 （1）相开关在任何时候关断均属零电压关断，只需限制协助谐振电路为相开关的零电压开通供应谐振槽即可，限制简洁，母线电压利用率高。 （2）PQRDCL电路的谐振不受相开关状态的影响，适用范围广，且可在随意时刻起振而形成谐振槽，易于和相绕组限制策略同步。 （3）谐振电感不在直流母线上，仅作为谐振过零时的储能元件，所以电感上的功率损耗小。 （4）全部功率开关器件所承受的电压均未超过直流电源电压值。 图2-2中的协助谐振电路还适用于SRD的公共开关型、H桥型、精简桥式三种相开关电路，但同样须要在各个相开关上并联缓冲电容器，如图2-3所示。 2.3 PQRDCL型SRD功率变换器软开关工作机理 2.3.1相开关零电压开通原理 因为每个相开关都并联了缓冲电容器，所以它们在任何时候关断都属于ZVS软关断。下面分别分析四种电路拓扑的相开关零电压开通原理。 （1）不对称半桥型电路软开通原理 不对称半桥型电路对SRM绕组的限制有单管斩波（非能量回馈式）和双管斩波（能量回馈式）两种方式[95]。 单管斩波又分为上臂开关斩波和下臂开关斩波两种状况，以对绕组Lph1的限制为例，上、下臂单管斩波方式下的续流路径分别如图2-4（a）、（b）所示。图2-4（a）中V2保持通态，V1处于断态（即将开通），相绕组经VD1和V2续流，因VD1正向导通，忽视管压降，故有 （2-1） 又因PQRDCL产生谐振槽使母线电压为零即 （2-2） 由式（2-1）和（2-2）得 （2-3） 即器件V1集-射极之间电压为零，此时触发V1开通即为ZVS软开通。 在图2-4（b）中，V1保持通态，V2处于断态（即将开通），相绕组Lph1经VD2和V1续流，因VD2正向导通，故有 （2-4） 再结合（2-2）式，有 （2-5） 即器件V2集-射极之间电压为零，此时触发V2开通也为ZVS软开通。 双管斩波方式时的相绕组续流路径如图2-4（c）所示，V1，V2同时由断态打算开通，绕组Lph1通过VD1，VD2续流，由于VD1，VD2均正向导通，从而有 ， （2-6） 当PQRDCL谐振迫使P，N两点电位相等，即满意式（2-2）时，由式（2-2）及式（2-4）得 （2-7） 即V1，V2集-射极电压均为零，此时让V1，V2开通均为ZVS软开通。 当相开关由断态打算开通时，还存在相绕组电流已衰减为零的状况（如在换相时），因PQRDCL谐振迫使母线电压为零，同时相开关所并电容上的能量也已释放，而绕组电感电流又不能突变，所以此时的开通动作属ZVS兼ZCS软开通。 （2）公共开关型电路软开通原理 在公共开关型电路中，各相开关由频率较低的SRM转子位置信号限制，公共开关Vc由频率较高的PWM信号限制。因公共开关的负担本就比较重，为减轻公共开关的负担，尽量避开电机绕组通过公共开关续流，最终的Vc限制信号由各相开关限制信号和依据调速须要产生的初始PWM信号共同生成，信号逻辑关系如图2-5所示，图2-6是波形示意图。图中PWM1为初始PWM信号，SV1～SV3分别为相开关V1～V3的限制信号，PWM2为最终有效的公共开关限制信号。这样就保证了只有相开关导通期间公共开关才可能导通，从而使得公共开关型拓扑每相绕组只有两种续流路径，如图2-7所示。 图2-7（a）所示为相开关V