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

小， Ｖ 的触发时刻要提前。这是因为负载增大时， 由
于 ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ 一 定 ， 要 使 ｉＵ、ｉＶ、ｉＷ 全 部 转 移 到 ＬＡ、ＬＢ、 ＬＣ 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 Ｖ１ 关断， 下桥臂功率开关器件 Ｖ２ 开 通 ， Ｖ 相 和 Ｗ 相 上 桥 臂 功 率 开 关 器 件 Ｖ３ 和 Ｖ５ 开通， 下桥 臂功率开关 器 件 Ｖ４ 和 Ｖ６ 关 断 ， 即 此 时 的空间电压矢量为 ０１１ 状态。在锯齿波垂直沿后，
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 ｅＵ ＞ ０， ｅＶ＜０， ｅＷ＜０， 而三相电流分别为 ｉＵ≥０， ｉＶ＜０， ｉＷ＜０。 如图 ４ 所示为该区间中的动作时序。载波 ｅｓ 和参 考 电 压 ＵＡＵＸ、三 相 调 制 波 ｅＵ、ｅＶ、ｅＷ 比 较 ， 生 成 开 关
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电气传动自动化
２００６ 年 第 ６ 期
２ 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 Ｖ１～ Ｖ６、续流二极管 ＶＤ１～ＶＤ６、缓冲电容 Ｃ１～Ｃ６ 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 ＬＡ～ＬＣ 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。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ ｐｈａｓｅ ｓｏｆｔ－ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ＡＣ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｓｉｘ ｄｉｏｄｅｓ． Ｉｔｓ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ， ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｈｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｐｅｒａｔｅｓ ｂｙ ｓｏｆｔ－ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ ｂｅｆｏｒｅ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， ｓｏ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｖｅｒｔｅｒ； ＺＶＴ； ｓｏｆｔ－ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ； ｒｅｓｏｎａｎｔ ＡＣ ｌｉｎｋ
１ 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
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。
Ｕ 相上桥臂功率开关器件 Ｖ１ 开通， 下桥臂功率开 关器件 Ｖ２ 关断， Ｖ 相和 Ｗ 相上桥臂功率开关器件 Ｖ３ 和 Ｖ５ 关断， 下桥臂功率开关器件 Ｖ４ 和 Ｖ６ 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
ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ－ ｙｕ， ＱＵ Ｋｅ－ ｑｉｎｇ， ＸＵ Ｊ ｉａｎ， ＣＨＥＮ Ｇｕｏ－ ｃｈｅｎｇ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ ｍｅｃｈａｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２， Ｃｈｉｎａ）
＊ 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
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。
ＶＤ１′ＶＤ３′ＶＤ５′ Ｖ１
Ｖ３ Ｃ１
Ｖ５ Ｃ３
Ｃ５
Ｃｄ Ｖ Ｅｄ
ＬＡ
ＶＤ１
ＶＤ３
ＶＤ５
ＬＢ Ｕ
Ｖ
ＷＭ
ＬＣ Ｖ２
ＶＤ２
Ｖ４ ＶＤ４
Ｖ６ ＶＤ６
ＶＤ２′ＶＤ４′ＶＤ６′
Ｃ２
Ｃ４
Ｃ６
驱动电路Biblioteka ＤＳＰ 控制核心频率给定
图 １ ＺＶＴ 软开关逆变器主电路及其控制
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。
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。
ＵＡＵＸ １ ２
ｅＵ ｅｅＶＷ
３４
模式 ５ ６７８
ｅｓ
ＧＶ ＧＶ１ ＧＶ３
ＧＶ５
Ｔｄ
ｉＬＢ ｉＬＣ
ｉＬＡ
ｉＵ
９
１０ １１
ｔ
ｔ ｔ ｔ ｔ
ｔ
ｉＶ
ＵＣ１
ＵＣ２ ＵＣ４
ＵＣ３ ＵＣ６
ＵＣ５
△Ｔ２ △Ｔ３
ｔ１ ｔ２ ｔ３ ｔ４
１
２
３
４
５
６
ｉＷ
ｉＵ
ｉＶ
ｅＵ
－ ｅＵ
ｅｓ ｅＵ
ｉＷ
１
２
３
４５
６
ｉＵ
ｉＶ
ｅｓ ｅＵ
ｅｓ ｅＶ ｅｗ ｅｓ
ＧＶ１ ＧＶ２ ｉＶ１ ｉＶ２
图 ３ 实际采用的调制方式
４ 软开关动作模式
图 ２ 逆变器的调制方式
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
２００６ 年 第２８卷 第６期 第１页
电气传动自动化 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文章编号： １００５—７２７７（ ２００６） ０６—０００１—０５
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＊
Ｖｏｌ．２８， Ｎｏ．６ ２００６， ２８（ ６） ： １～５
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）
模式 ２： 充电模式。换流开关 Ｖ 开通， 换流电感 ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ 上的电流 ｉＬＡ 、ｉＬＢ 、ｉＬＣ 线性增加， 电流 从端子 Ｖ、Ｗ 经 ＬＢ、ＬＣ、ＶＤ′３、ＶＤ′５、Ｖ、ＶＤ′２、ＬＡ 到端子 Ｕ。由 于 ｄｉ ／ｄｔ 被换流电感 ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ 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 ＬＡ 上 的电流等于换流电感 ＬＢ 和 ＬＣ 上的电流之和。随着 ｉＬＡ 、ｉＬＢ 、ｉＬＣ 的增大， 续流二极管 ＶＤ２、ＶＤ３ 和 ＶＤ５ 上的 续流电流 相应减小。当 ｉＬＡ＝ｉＵ 时， ＶＤ２、ＶＤ３、ＶＤ５ 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 ｔ２） 处。
ｔ５ ｔ６ ｔ７ ｔ８
图 ４ 软开关动作时序
ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ９ ｔ１０
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 Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５ 是导通状态， 但各相电流
是流过续流二极管 ＶＤ２、ＶＤ３、ＶＤ５。此时端子 Ｕ、Ｖ、 Ｗ 的电位 ＵＵ、ＵＶ、ＵＷ 分别是 ＧＮＤ、Ｅｄ、Ｅｄ。
模式 ３： 谐振模式。在 ｔ２ 时刻功率开关器件 Ｖ２、 Ｖ３ 和 Ｖ５ 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： Ｃ１ 经 Ｃ３、 Ｃ５、ＬＢ、ＬＣ、ＶＤ′３、ＶＤ′、Ｖ、ＶＤ′２、ＬＡ 到 Ｃ１， 完成 Ｃ１ 放电、 Ｃ３ 和 Ｃ５ 充电； 另一条是 Ｃ４、Ｃ６ 经 ＬＢ、ＬＣ、ＶＤ′３、ＶＤ′５、 Ｖ、ＶＤ′２、ＬＡ、Ｃ２ 到 Ｃ４ 和 Ｃ６， 完成 Ｃ４ 和 Ｃ６ 放电、Ｃ２ 充 电（ 如图 ５ 中模式 ３ 所示） 。此时 ｉＬＡ 继续增大， 直到 ｔ３ 时刻， ｉＬＡ 减小到再次等于 ｉＵ， 缓冲电容 Ｃ１、Ｃ４ 和 Ｃ６ 的端电压降到零， 谐振过程结束， 此时使功率开关 器件 Ｖ１、Ｖ４ 和 Ｖ６ 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。