三相PFC和软开关技术在变频器中的应用[1]

（４）
当ｔ∈ ［５π／６，π］，由于Ｕｂ ＞Ｕａ ＞０，此时ａ相
电流仍然工作在断续状态，并且 ａ相 电 流 相 位 受 ｂ
相 控 制 ，在 任 意 开 关 周 期 内 ａ相 的 平 均 电 流 为
ｉＬａ
＝
Ｕ２ａＬ（ｔａ）×ＤＴｓ
×ＵＵｏｏ１１
－Ｕｂ（ｔ） －Ｕａ（ｔ）
（５）
通 过 上 述 分 析 ，只 要 采 集 当 前 状 态 下 的 最 大 相
第２３卷 第６期
电力系统及其自动化学报
Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．６
２０１１年１２月 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＵ－ＥＰＳＡ Ｄｅｃ． ２０１１
三相 ＰＦＣ 和软开关技术在变频器中的应用
沈 锦 飞 ，丁 杨
（江南大学电气自动化研究所，无锡 ２１４１２２）
烄ｕｃｒ（ｔ）＝ Ａｃｏｓ［ωｒ（ｔ－ｔ１）＋α］１２Ｅ
槡 烅
ｉＬｒ（ｔ）＝Ｉｏ －Ａ 烆
（７） ＣＬｒｒｓｉｎ［ωｒ（ｔ－ｔ１）＋α］
槡 其 中：Ａ ＝
Ｅ２ ４
＋ＩＣｏ２Ｌｒｒ，ωｒ
＝
１ ，α ＝
槡ＬｒＣｒ
槡 ａｒｃｔａｎ（２ＥＩｏ
Ｌｒ）。 Ｃｒ
状态３（ｔ２ ～ｔ３）：母线电压维持在零点，此时可
以 开 通 逆 变 侧 的ＩＧＢＴ，实 现 零 电 压 开 通 （ＺＶＳ），此
ｕＣｒ（ｔ）＝ Ｅ。
状态６（ｔ５ ～ｔ６）：开通 Ｓ５，关断 Ｓ４，ｉＬｒ 逐 渐 减
小 到 零 ，Ｄｒ自 然 导 通 续 流 。
据上分析，只要在状态 ３ 开通逆变侧 的ＩＧＢＴ
就 能 实 现 零 压 导 通 ，通 过 算 法 处 理 得 到 具 有 零 压 开
通特性的 ＳＶＰＷＭ 脉 冲，由 于 谐 振 频 率 远 高 于 开 关频率，为 逆 变ＩＧＢＴ 预 留 了 足 够 时 间，辅 助 开 关 的 触 发 信 号 的 产 生 与 逆 变 器 的 调 制 方 法 无 关 ，可 满
图２ 零电压导通等效电路 Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＺＶＳ
在一次零电压过程中共经历６个状态，规定图 中所示的Ｉｏ 方向为正。
状态１（ｔ０ ～ｔ１）：电路处于初态，Ｓ５开通，Ｓ３和 Ｓ４关断，ｉＬｒ（ｔ）＝０，ｕＣｒ（ｔ）＝ Ｅ。
状态２（ｔ１ ～ｔ２）：开关Ｓ３在零电流条件下开通 （ＺＣＳ），Ｓ５在零电压 条 件 下 关 断 （ＺＶＳ），电 流 方 向 为Ｃｒ→Ｌｒ→Ｓ３→Ｅ／２，Ｌｒ和Ｃｒ发 生 第 一 次 谐 振 ， 经过 Δｔ２ 时间后，ｉＬｒ（ｔ）＝０，ｕＣｒ（ｔ）＝０。这里Ｓ３的 开 通 时 间 必 须 大 于 电 压 回 零 时 间 ，保 证 母 线 电 压 完
Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ＰＦＣ ａｎｄ Ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ
ＳＨＥＮ Ｊｉｎ－ｆｅｉ，ＤＩＮＧ Ｙａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇ Ｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｎｅｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔ－ ｓｗｉｔｃｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｇｒｉｄ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｕｓｅｓ ａ ｄｕａｌ ｓｗｉｔｃｈ ＰＦＣ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ａ ｎｅｗ ＣＣＭ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｔａｂｌｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ＥＭＩ ａｎｄ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ．Ｂｅｈｉｎｄ ｔｈａｔ ａ ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ ｔｕｒｎ－ｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ａｕｘ－ ｉｌｉａｒｙ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ａｎｄ ＬＣ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｔｓ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｅｓｔ ｗｉｔｈ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌｏａｄｓ ｂｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）；ｔｗｏ－ｓｗｉｔｃｈ；ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈ；ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ （ＺＶＳ）
足不同类型的 ＰＷＭ 调制策略。此外，因逆变ＩＧＢＴ 在 零 压 导 通 ，上 、下 桥 臂 直 通 时 回 路 中 电 压 为 零 ，不
需 考 虑 死 区 效 应 和 死 区 补 偿 ，便 于 软 件 处 理 。
２ 参数确定及仿真
根据单开关的 ｂｏｏｓｔ升压电路工作在 ＣＣＭ 模 式下，可计算出 Ｄ 的最大值，而实际 电 流 有 一 段 时 间为断续模式，占空比可取 最 大 值 的 ９０％，那 么 在 输出８００Ｖ 直流电压时：
在 高 开 关 频 率 下 难 以 保 持 较 高 的 效 率 。而 软 开 关 逆
变 器 可 减 小 功 率 器 件 开 关 损 耗 ，在 高 开 关 频 率 及 高 效率要求的场合更具有优势 。 ［４，５］
本 文 对 传 统 变 频 器 主 电 路 结 构 进 行 改 进 ，通 过
三相电压的中性点将电路分成完全独立的两部分， 三 相 ＰＦＣ 电 路 工 作 在 连 续 导 通 模 式 ＣＣＭ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）下，前 端 的 三 相电感的感量小于１００μＨ，功 率 因 数 为 ０．９９１，软 开 关 电 路 虽 增 加 了 三 个 辅 助 开 关 ，但 降 低 了 控 制 难 度 ，母 线 零 电 压 凹 槽 的 位 置 和 长 度 可 灵 活 控 制 。
收 稿 日 期 ：２０１１－０７－２６；修 回 日 期 ：２０１１－０９－０２
第６期 沈锦飞等：三相 ＰＦＣ 和软开关技术在变频器中的应用
· ９３ ·
图１ 主电路图 Ｆｉｇ．１ Ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
烄Ｕａ ＝Ｕｍａｘｓｉｎ（ωｔ） 烅Ｕｂ ＝Ｕｍａｘｓｉｎ（ωｔ－２π／３）
目前工业上通用的变频器存在功率因数低 （约 为０．６～０．７），开 关 损 耗 大 等 问 题 ，对 电 网 的 危 害 严 重［１］。 近 年 来 随 着 有 源 功 率 因 数 校 正 ＡＰＦＣ（ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）技 术 的 不 断 发展，三相 ＰＦＣ 技术逐步在变频器中得到应用。三 相 ＰＦＣ 的难点在于 相 间 解 耦，不 解 耦 三 相 单 开 关 ＰＦＣ 控制容易但开关应力大，只适于小 功 率 场 合。 全解耦三相六开关 ＰＦＣ 功率因数虽高控制却极其 复杂［２，３］。因 此，具 有 部 分 解 耦 特 点 的 双 开 关 ＰＦＣ 电路成为研究的热点。另 外，传 统 的 硬 开 关 逆 变 器
摘要：将三相功率因数校正和软开关技术与传统变频 器 结 合，提 出 了 一 种 新 颖 的 电 路 结 构，在 变 频 调 速 的 同 时，改善了电网，降低功耗。前端使用三相双开关 ＰＦＣ 电 路，结 合 一 种 新 颖 的 ＣＣＭ 控 制 模 式，为 直 流 侧 提 供 稳定的电压源，ＥＭＩ小且适用于大功率，后端的零电压导通电路使用三个辅助开关与 ＬＣ 谐振电路，降 低 了 控 制 难 度 以 及 逆 变 侧 开 关 的 负 荷 ，并 通 过 仿 真 验 证 。 关 键 词 ：功 率 因 数 校 正 ；双 开 关 ；软 开 关 ；零 电 压 导 通 中 图 分 类 号 ：ＴＮ７７３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－８９３０（２０１１）０６－００９２－０４
后端使用直流母线零电压软开关逆变电路。 该电路增加了三 个 辅 助 开 关 Ｓ３、Ｓ４ 和 Ｓ５，续 流 二 极管 Ｄｒ以 及 谐 振 电 感 Ｌｒ和 电 容 Ｃｒ构 成 谐 振 回 路。使用两个辅助开 关 同 样 能 完 成 软 开 关 动 作，但 要瞬 间 短 路 逆 变 侧 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｂａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）以 保 证 谐 振电感电 流 的 反 相 增 大，可 靠 性 不 高［７］。等 效 电 路 如图２，逆变侧以一个ＩＧＢＴ 和反并二极管代替。
（２）
其中Ｕｏ１ 为半桥输出电压，Ｕａ 为ａ相的相电压。
当ｔ∈ ［０～π／６］，由于Ｕｃ ＞Ｕａ ＞０，ａ相电流
工 作 在 断 续 状 态 ，此 时 受 控 的 是ｃ相 电 流 ，ａ相 电 流
处 于 被 动 校 正 ，电 流 相 位 完 全 受 ｃ相 控 制 ，因 此 ，在
任意开关周期内ａ相的平均电流为
电压，使每相电流跟 踪 最 大 相 电 压，就 可 实 现 电 流
相 位 校 正 ，在 ［π／６～５π／６］ａ相 电 流 完 全 可 控 ，既 使 ａ相电流得到最大补偿，又 使 相 邻 相 电 流 得 到 被 动 补偿，但由于电路处于部分解耦状态，在［０～ π／６］ 及 ［５π／６，π］，ａ相 电 流 分 别 受 控 于 ｂ或ｃ相 ，无 法 对 ａ相进行独 立 控 制，补 偿 效 果 并 不 理 想，如 何 优 化 控制，以减小ａ相电流谐波仍有待解决 。 ［６］
ｉ百度文库ａ
＝
Ｕ２ａＬ（ｔａ）×ＤＴｓ
×ＵＵｏ０１１
－Ｕｃ（ｔ） －Ｕａ（ｔ）
（３）
当ｔ∈ ［π／６，５π／６］，Ｕａ 最 大，ａ相 电 流 工 作 在
连续状态，只 要 控 制 ａ相 的 电 流 跟 踪 其 电 压，就 可
以实现ａ相电流的正弦化，在任意开关周期内 ａ相
的平均电流为
ｉＬａ ＝ １２Ｉｍａｘｓｉｎ（ωｔ）
电 压 方 程 同 公 式 （６），初 态 不 同 。解 得 电 流 和 电 压 为
烄ｕｃｒ（ｔ）＝ １２Ｅ［１－ｃｏｓωｒ（ｔ－ｔ３）］
槡 烅
ｉＬｒ（ｔ）＝Ｉｏ 烆
＋
１２Ｅ
ＣＬｒｒｓｉｎωｒ（ｔ－ｔ３）
（８）
状态５（ｔ４ ～ｔ５）：第 二 次 谐 振，电 流 维 持 原 方
向，经 过 Δｔ５ 时 间 后，ｉＬｒ 谐 振 回 到 初 始 状 态 Ｉｏ，
时可关断 Ｓ３，以保证 Ｓ４的正常关断。
状态 ４（ｔ３ ～ｔ４）：其 他 开 关 状 态 不 变，开 通
Ｓ４（ＺＣＳ）给 Ｌｒ充 电 ，母 线 电 压 开 始 上 升 ，此 时 电 流
方向为：Ｅ／２→ Ｓ４→Ｌｒ→Ｃｒ，经过 Δｔ４ 时间后，使
ｉＬｒ（ｔ４）＝Ｉｏ。谐振回路 和 第 一 次 谐 振 反 向，电 流 和
全 降 为 零 ，电 流 和 电 压 方 程 为
烄ｕｃｒ（ｔ）＋Ｌｒ
ｄｉＬｒ ｄｔ
＝
１２Ｅ
烅 Ｉｏ 烆
＋Ｃｒｄｕｄｃｒｔ（ｔ）＝ｉＬｒ（ｔ）
其中初态为ｉＬｒ（ｔ１）＝０，ｕｃｒ（ｔ１）＝ Ｅ。
解该方程可得电流和电压表达式为
（６）
· ９４ ·
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 第２３卷
烆Ｕｃ ＝Ｕｍａｘｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）
（１）
由于三 相 电 压 对 称 性，以 ａ 相 电 压 正 半 周 为
例，在ｔ∈ ［０ ～ π］分 三 个 状 态 分 析。三 相 双 开 关
ＰＦＣ 电路上、下 半 桥 独 立，等 效 为 单 开 关 ｂｏｏｓｔ升
压电路，用 Ｄ 表示占空比，则
Ｄ
＝
ＵＯ１ －Ｕａ ＵＯ１
１ 主电路结构和工作原理
主电路结构如图１。前端三相 ＰＦＣ使用双开关 进 行 部 分 解 耦 ，三 相 输 入 电 压 的 中 性 线 与 辅 助 开 关 管 Ｓ１和 Ｓ２（均带反并二极管）的中点相连，该电路 上 、下 半 桥 相 互 独 立 ，形 成 部 分 解 耦 的 基 础 ，开 关 器 件 承 受 的 电 压 只 有 输 出 电 压 的 一 半 ，降 低 了 开 关 管 的耐压要求。在 ＣＣＭ 下，已知三相输入电压为