并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器的實(shí)驗(yàn)研究

胡平,謝順依,唐衛(wèi)平,曾雙貴

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系,湖北 武漢 430033;2.海軍91458部隊(duì),海南 三亞 572021;3.海軍92474部隊(duì),海南 三亞 572021)

1 引言

傳統(tǒng)的逆變器存在著開關(guān)器件電壓電流應(yīng)力大、二極管反向恢復(fù)問題以及開關(guān)通斷產(chǎn)生過高的/dt和di/dt形成的電磁干擾問題,軟開關(guān)技術(shù)是解決以上問題的有效方法。本文針對(duì)一種新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(PRDCLI)拓?fù)涮岢隽似溆行У闹C振環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該拓?fù)湓诖蠊β蕡龊蠎?yīng)用的可行性和優(yōu)越性。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 電路結(jié)構(gòu)

PRDCLI在三相逆變器與直流電源之間插入了一個(gè)由主開關(guān)管T0(D0),諧振開關(guān)管Ta,及諧振電感L組成的諧振電路。其電路原理圖如圖1所示。

圖1 直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器Fig.1 Parallel resonant DC link inverter

假設(shè)電路中的所有元器件均是理想的,諧振電感L遠(yuǎn)小于負(fù)載電感。LC諧振周期很短,因此,在一個(gè)諧振開關(guān)周期中,逆變器從直流母線側(cè)來看可等效為一恒定的電流源,直流電源電壓為一理想電壓源,各橋臂開關(guān)管兩端并聯(lián)的電容可等效為一個(gè)直接連在直流母線上的電容C,等效電路圖如圖2所示。

圖2 PRDCLI等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PRDCLI

2.2 工作原理

在一個(gè)完整的諧振開關(guān)過程中,按開關(guān)管狀態(tài)的不同可劃分為6個(gè)時(shí)間段,圖3為電路工作主要波形。工作原理是:在逆變器橋臂需要換相之前啟動(dòng)諧振電路工作,導(dǎo)通Ta,Tb,使L具有足夠的能量維持L,C諧振電路完成諧振過程,關(guān)斷T0,諧振電感L和電容C開始諧振,使直流電壓諧振過零,為逆變器開關(guān)器件創(chuàng)造零電壓換相條件。關(guān)斷,電感L和電容C重新開始諧振,電容電壓從零諧振上升直到重新達(dá)到。

圖3 不同運(yùn)行模式下各參數(shù)曲線Fig.3 Each parameter waveforms of different operation modes

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

在本系統(tǒng)中,電機(jī)軸端輸出功率為60 kW,直流電壓為300V,則線電流I0=215 A,逆變器的工作頻率f=10 kHz,諧振電路的諧振頻率一般取它的5～10倍,本系統(tǒng)中取諧振頻率f′=8f=80 kHz。

3.1 諧振電感選擇

從PRDCLI電路工作過程的分析可以知道,理想情況下,諧振電感從零充電至預(yù)置電流,所需的時(shí)間為

預(yù)充電流終值實(shí)際上決定了諧振前電感中的諧振初始能量。IT的選擇必須保證諧振周期能維持進(jìn)行,即在Δt4時(shí)間段保證電容電壓從零重新諧振上升到以后,電感L還具有足夠大的電流和能量,使電流差值(Ir-IOX)經(jīng)二極管D0回饋給電壓源。在二極管D0回饋能量導(dǎo)電期間,T0處于零電壓、零電流狀態(tài),可以使在零電壓、零電流下開通。為此應(yīng)有:

的取值大小還會(huì)影響諧振回路中開關(guān)器件的穩(wěn)態(tài)損耗,要使器件損耗比較小,取值也不能太大。

3.2 諧振電容選擇

諧振電容的選擇可參考采用緩沖電路時(shí),在典型的IGBT功率電路中的選擇原則:

在典型的IGBT功率電路中,最嚴(yán)重情況下的di/dt接近0.02Ic/ns。本系統(tǒng)采用IGBT的工作峰值電流為600 A,并限定,為 100 V,母線寄生電感,這里取為50 nH,可以解得=100/(0.02×600)≈8 nH。經(jīng)計(jì)算可得緩沖電容C≥1.8 μ F。

我們?nèi)?Δt2=Δt4=2 μ s,預(yù)充電流終值IT=615A,可得諧振電感L=1×10-6H,諧振電容C=3.9×10-6F,本系統(tǒng)中,利用緩沖電容做諧振電容,所以緩沖電容取2.6×10-6F。

3.3 諧振時(shí)間 Δ t1,Δt2,Δt4選擇

諧振預(yù)充電時(shí)間Δt1的選擇應(yīng)盡可能使諧振電感達(dá)到預(yù)充電電流,具備足夠的能量完成諧振過程,又不至于太大導(dǎo)致諧振結(jié)束時(shí)的電壓振蕩。諧振電壓凹槽下降時(shí)間Δt2和上升時(shí)間Δt4的選擇應(yīng)使諧振周期盡量小,進(jìn)而提高諧振頻率,使主開關(guān)在最短的時(shí)間內(nèi)完成換相,提高直流母線電壓利用率,但的選擇也不宜太小,從諧振環(huán)節(jié)的工作原理分析可知,太小將導(dǎo)致直流母線電壓不能諧振至零,太大將導(dǎo)致諧振時(shí)間過長,Δt4太小將使電容電壓在未諧振回VD時(shí)強(qiáng)制突跳至直流母線電壓,太大將導(dǎo)致諧振時(shí)間過長,并帶來諧振后多余能量的振蕩,實(shí)際應(yīng)用應(yīng)根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)合理選取。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證該方案的有效性,設(shè)計(jì)了以TMS320 LF2407A為控制器的實(shí)驗(yàn)裝置,開關(guān)頻率10 kHz,諧振電感L=1×10-6H,諧振電容2.6×10-6F,諧振頻率f′=8f=80 kHz,直流輸入Vd=300 V。

圖4為軟開關(guān)過渡過程中的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和漏源極電壓,可以看出,當(dāng)開關(guān)管兩端直流電壓諧振到零后,驅(qū)動(dòng)信號(hào)開通開關(guān)管,實(shí)現(xiàn)了零電壓條件下的開通。圖5為直流諧振電壓與主開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的匹配圖,每一個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí),直流電壓諧振到零,為開關(guān)創(chuàng)造零電壓開通條件。圖 6 為 Δt1=4 μ s,Δt2=3,=時(shí)測(cè)得的直流母線電壓諧振凹槽波形。圖7為軟開關(guān)條件下開關(guān)管端電壓波形,可以看出,開通關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰明顯得到有效抑制。

圖4 開關(guān)管開通時(shí)的Vgs和Vds波形Fig.4 Vgs,Vdswaveforms at turn-on of switches

圖5 主開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形與直流電壓諧振凹槽Fig.5 Drive waveforms of main switches and resonant flutes of DC voltage

圖6 直流母線電壓諧振凹槽波形Fig.6 Resonant flutes wavefo rms of DC voltage

圖7 開關(guān)管端電壓波形Fig.7 The Vdswaveforms of switches

5 結(jié)論

本文介紹了一種并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理,提出了該拓?fù)渲C振環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析有較好的一致性,諧振環(huán)節(jié)的匹配控制實(shí)現(xiàn)了逆變器主開關(guān)管的軟開關(guān),有效地減小了傳統(tǒng)逆變器存在的開關(guān)損耗和過大的du/dt和di/dt,從而抑制了電磁干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性,對(duì)新型軟開關(guān)逆變器的設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

[1] 陳國呈.PWM變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2] 潘三博,潘俊民.一種新型的零電壓諧振極型逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(24):55-59.

[3] Li Qiao,Wu Jie,Jiang Huaigang.Design of Parallel Resonant DC-link Soft-swithcing Inverter Based on DSP[C]∥Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation,Guangzhou,China,2004:5595-5599.

[4] 明正峰,鐘彥儒.SVPWM技術(shù)在零電壓過渡三相逆變器中的應(yīng)用研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(6):56-61.

[5] Chao K H,Liaw C M.Three-phase Soft-switching Inverter for Induction Motor Drives[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications,2001,148(1):8-20.

[6] Hamada S,Nakaoka M.Analysis and Design of a Saturable Reactor Assisted Soft-switching Full-bridge DC-DC Converter[J].IEEE Trans.Power Electron.,1994,9(3):309-317.

[7] Watson R,Lee F C.Analy sis,Design and Experimental Results ofa1-kW FB-ZVS-PWM ConverterEmploying Magamp Secondary Side Control[J].IEEE T rans.Ind.E-lectron.,1998,45(5):806-814.

[8] 賀昱曜,李宏,何華.一種新型軟化SPWM波形合成方法及諧波分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(12):118-122.

[9] 朱忠尼,陳堅(jiān),王榮.三相FMSPWM 軟開關(guān)逆變器分析與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(3):79-84.

修改稿日期:2010-06-22