大功率諧振過渡軟開關(guān)技術(shù)變頻器研究（1）

大功率諧振過渡軟開關(guān)技術(shù)變頻器研究（1）

摘要：對傳統(tǒng)硬開關(guān)技術(shù)大功率變頻器的特點(diǎn)，目前大功率變頻器研究中存在的問題，大功率諧振過渡軟開關(guān)變頻器的研究目標(biāo)，降低功率器件開關(guān)損耗的途徑，軟開關(guān)技術(shù)變頻器擬實(shí)現(xiàn)的有關(guān)性能指標(biāo)等方面的問題進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：大功率變頻器；諧振過渡；軟開關(guān)

??? 在電力傳動領(lǐng)域里，隨著電力電子技術(shù)的不斷完善和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蠊β剩哔|(zhì)量變頻器日益迫切的需求，大功率變頻裝置的研究成為科研、開發(fā)的熱點(diǎn)，也是電力電子變換技術(shù)在電力驅(qū)動方面科研成果轉(zhuǎn)化的重點(diǎn)之一。

1??? 大功率變頻器的特點(diǎn)

??? 對于傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)變頻器，由于功率器件的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的電路和控制方法。但對于大功率變頻裝置來說，有著它自己的特點(diǎn)。

??? 1）主電路功率器件上的電流大??? 如果不考慮高電壓的問題，大功率變頻裝置的輸入電壓和輸出電壓額定值通常為三相交流380V的電壓，與小功率的一樣，但由于功率較大，所以主電路中的電流很大，可達(dá)到數(shù)十A到數(shù)百A，這就給電路拓?fù)涞倪x擇、電路元器件的設(shè)計(jì)和制造帶來了很多特殊問題。諸如直流母線的設(shè)計(jì)、吸收電路的設(shè)計(jì)等。

??? 2）電路的耗散功率大，散熱問題嚴(yán)重??? 由于變頻器功率很大，相對來說，電路損耗的絕對值很大，因此，變頻器的熱設(shè)計(jì)變得十分重要。如何降低發(fā)熱量，改善散熱條件，降低熱阻是需要認(rèn)真對待的問題。通常情況下需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷的措施。

??? 3）可靠性要求高，需要完善的自保護(hù)和負(fù)載保護(hù)功能??? 由于大功率變頻器主電路元器件的成本較高，而且負(fù)載電機(jī)的制造成本也很高，一旦出現(xiàn)故障影響很大，因此，對可靠性的要求很高。一般情況下，在提高變頻器可靠性的措施中，一方面在于設(shè)計(jì)中留有足夠的裕量和制造過程中的嚴(yán)格把關(guān)，另一方面需要在設(shè)計(jì)中考慮到各種故障可能，并采用相應(yīng)的保護(hù)措施，避免危及變頻器本身及負(fù)載電機(jī)的安全。對變頻器本身的保護(hù)內(nèi)容包括輸入過壓、輸入欠壓，系統(tǒng)過熱，系統(tǒng)過流等；對負(fù)載電機(jī)的保護(hù)包括輸出過壓，輸出欠壓，輸出過流等。

??? 4）控制功能的不斷增加??? 所有控制方法的最終目的應(yīng)該是保證負(fù)載電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速，設(shè)定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，有速度傳感器的PID調(diào)節(jié)，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制以及現(xiàn)代控制理論（自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）的應(yīng)用。還有涉及到變頻器本身的死區(qū)補(bǔ)償，空間矢量調(diào)制等細(xì)節(jié)性的算法等。

2??? 目前大功率變頻器的研究特點(diǎn)

??? 雖然目前傳統(tǒng)硬開關(guān)技術(shù)大功率變頻裝置的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)能夠滿足一般的工業(yè)生產(chǎn)中電力驅(qū)動的要求，但也還存在著許多需要探索的地方。

??? 1）開關(guān)頻率的提高??? 很久以來，人們已經(jīng)認(rèn)識到，如果能將變頻器中功率器件的開關(guān)頻率在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步大大提高，將會帶來一系列好處。如輸出波形中的低次諧波被更有效地抑制，輸出電壓和電流將更趨于正弦波形，濾波器的尺寸將大大縮小等，變頻器，特別是大功率的變頻器，功率密度和性能將會得到很大的改善。

??? 2）開關(guān)損耗的減少??? 由于大功率變頻器功率器件開關(guān)過程損耗的絕對值很大，當(dāng)需要提高開關(guān)頻率時(shí)，這種開關(guān)損耗將會更加明顯，所以，大部分的大功率變頻器中功率器件的開關(guān)頻率都在幾個(gè)kHz。在某些特殊用途的變頻裝置里，要求輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工頻，達(dá)到幾個(gè)kHz（2kHz～5kHz），此時(shí)的開關(guān)頻率必須達(dá)到幾十kHz，所以，在變頻裝置中如何減少開關(guān)頻率提高時(shí)的開關(guān)損耗，也是一個(gè)迫切需要解決的問題。

??? 3）吸收電路的改善??? 一般情況下，三相變頻器中需要6個(gè)大功率開關(guān)器件，在傳統(tǒng)的強(qiáng)迫換流（硬開關(guān)）條件下，和小功率變頻器不同，每一個(gè)開關(guān)器件或者一個(gè)逆變橋臂上都需要一個(gè)吸收電路，此時(shí)的吸收電路需要較大電阻、電容和二極管，這不但增大了整個(gè)裝置體積和安裝難度，而且不能節(jié)約能源。如何能夠省掉吸收電路，又能保護(hù)功率器件的安全運(yùn)行，也是人們所關(guān)注的。

??? 4）變頻器體積的縮小??? 隨著功率器件制造技術(shù)的發(fā)展，在大功率變頻器中，為功率器件散熱而設(shè)計(jì)的散熱器要占很大的體積，從而使得大功率變頻器的體積比較大。對于一些特殊的應(yīng)用場合，比如電動汽車，電力機(jī)車等，要求變頻器功率大，體積小。這就需要解決減小散熱器體積的問題。

3??? 大功率軟開關(guān)變頻器的研究目標(biāo)

??? 在有關(guān)的文獻(xiàn)中，對三相變頻器在電力傳動方面期望實(shí)現(xiàn)的有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行了描述。

??? 1）電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率大于98％，在10％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率大于80％??? 對于傳統(tǒng)的硬開關(guān)變頻器來說，當(dāng)功率器件為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）時(shí)，影響效率的主要因素中，必須考慮的兩個(gè)最重要的功耗來源，就是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。軟開關(guān)技術(shù)可以消除功率器件的開關(guān)損耗，所以，可以使變頻器的運(yùn)行效率達(dá)到最大值。電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，變頻器的輸出功率最大，故其效率達(dá)到最高，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，輸出功率較小，而變頻器中開關(guān)損耗的變化不大，故其效率低。

??? 2）制造成本??? 3）功率密度>100kW/ft³(3.53W/cm³)??? 軟開關(guān)技術(shù)變頻器優(yōu)良特性的最大體現(xiàn)，一是功率器件的開關(guān)頻率可以大幅度提高，二是開關(guān)損耗的大幅度降低。這就意味著功率器件在工作時(shí)本身的散熱量會大幅度降低，為功率開關(guān)而設(shè)計(jì)的散熱器尺寸會大大減小，這樣，功率密度肯定會大大提高。當(dāng)然，輔助諧振網(wǎng)絡(luò)和控制電路的安裝要增大尺寸，但是，輔助開關(guān)器件的尺寸只有主開關(guān)器件的幾分之一，相對于傳統(tǒng)的無源吸收器電路（二極管＋電容＋大電阻），諧振吸收器電路（開關(guān)＋電容＋小電感）明顯縮小了。

??? 4）dv/dt<1kV/μs??? 功率器件上并接的吸收電容能夠大大減小功率器件關(guān)斷時(shí)的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相對于傳統(tǒng)的硬開關(guān)，1kV/μs的電壓變化率已經(jīng)是一個(gè)不錯(cuò)的指標(biāo)了。

??? 5）開關(guān)頻率>20kHz??? 功率器件的開關(guān)頻率指標(biāo)定為20kHz以上，是考慮到音頻信號的頻率在18kHz以下，當(dāng)開關(guān)頻率大于18kHz以后，將不會產(chǎn)生音頻噪音。

??? 6）可靠性在電機(jī)壽命之內(nèi)沒有問題變頻器的可靠性取決于兩個(gè)方面，一是裝置所用元器件的使用壽命，二是電路設(shè)計(jì)的合理性（主要包括工作原理和保護(hù)設(shè)計(jì)的合理性）。

??? 7）EMI零電磁輻射不產(chǎn)生干擾電磁兼容性是近年來電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)備受關(guān)注的問題。變頻器的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時(shí)可能導(dǎo)致致命的后果。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，即電磁敏感性（Electromagnetic Susceptibility－EMS）和電磁干擾（Electromagnetic Interference－EMI），分別表示變頻器抵抗外來干擾的能力和自身產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度。針對電磁兼容性的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)很多，有些要求設(shè)備能夠抵抗一定形式和強(qiáng)度的干擾，另一些要求設(shè)備產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度不能超過一定值。一個(gè)EMC合格的產(chǎn)品應(yīng)該能夠同時(shí)滿足這兩方面的要求。

??? 變頻器是一種能夠產(chǎn)生較強(qiáng)寬頻帶電磁信號的設(shè)備，很有可能對其周邊設(shè)備造成干擾。同時(shí)它又是一種比較容易受到干擾的設(shè)備，多數(shù)電子設(shè)備在受到干擾時(shí)僅表現(xiàn)為性能的劣化，而變頻器，特別是大功率的變頻器則不同，一定形式和程度的干擾甚至有可能造成變頻器本身的嚴(yán)重?fù)p壞。因此，其電磁兼容性更應(yīng)該引起充分重視。

4??? 降低功率器件開關(guān)損耗的途徑

??? 傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)變頻器在開關(guān)切換期間存在著一些問題，圖1給出了現(xiàn)在常用的系統(tǒng)構(gòu)成。圖2給出了感性負(fù)載下，三相逆變器中U相橋臂功率器件在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)典型的電流和電壓工作波形。

圖1??? 用于驅(qū)動三相交流電機(jī)的電壓源三相逆變器系統(tǒng)一般構(gòu)成

圖2??? 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)功率開關(guān)器件和反并聯(lián)二極管上的電流和電壓波形

??? 對于由兩個(gè)功率開關(guān)S₁和S₄構(gòu)成的一個(gè)逆變橋臂（S₁在上，S₄在下）來說，當(dāng)S₄開通時(shí)，通過感性負(fù)載的電流將開始增加。當(dāng)S₄被關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載中的電流不可能立刻發(fā)生變化，它必須通過S₁上的反并聯(lián)二極管D1進(jìn)行續(xù)流。

??? 假設(shè)初始電流流過二極管D₁，當(dāng)S₄開通時(shí)，負(fù)載電流將從D₁轉(zhuǎn)移到S₄，遺憾的是，二極管D1不能立即從正向?qū)顟B(tài)恢復(fù)到反向阻斷狀態(tài)，相反，在D₁恢復(fù)到能承受反向電壓之前，D₁中有一個(gè)峰值很大的反向恢復(fù)電流，這個(gè)反向恢復(fù)電流也要流過S₄。所以，此時(shí)流過S₄的電流是負(fù)載電流和D₁反向恢復(fù)電流之和。而且，此時(shí)S₄上的電壓仍然為直流母線電壓。這樣，S₄開通時(shí)，將產(chǎn)生很大的開通損耗。而且將承受很大的電壓和電流應(yīng)力，如果這個(gè)應(yīng)力超過其安全工作區(qū)的極限，功率開關(guān)器件將永久損壞。另外，當(dāng)D₁開始承受反向電壓時(shí)，反向電流減少到零的同時(shí)承受一個(gè)很高的電壓和一個(gè)很大的反向電流，因此，反并聯(lián)二極管也將產(chǎn)生很大的功耗。

??? 當(dāng)S₄被關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到二極管D₁中，S₄兩端的電壓慢慢上升到直流母線電壓，此時(shí)流過S₄的電流基本上等于負(fù)載電流；當(dāng)S₄中的電流減小到零，此時(shí)它承受的還是直流母線電壓。因此，在S₄關(guān)斷期間也有一個(gè)較大的功率損耗。

??? 中等功率和大功率的電壓源三相逆變器，常常用到諸如雙極型晶體管（BJT），IGBT和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，這是由于這些器件的電流和電壓額定值要高于功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。然而，這些器件的開關(guān)特性相對較差，特別是在硬開關(guān)條件下的關(guān)斷拖尾電流，將產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。另外一個(gè)開關(guān)損耗的來源是功率開關(guān)上反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流，它將在硬開關(guān)條件下引起明顯的開通損耗。

??? 近年來，高性能的IGBT已成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)普遍選擇的器件。圖3給出了帶反并聯(lián)二極管的IGBT工作在占空比為50％時(shí)功率損耗的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯S著工作頻率的增加，功率損耗迅速增大，這表明開關(guān)損耗比通態(tài)損耗更重要。

圖3??? IGBT和反并聯(lián)二極管功能（直流母線電壓400V，電機(jī)電流15A）

??? 另外，分析功率開關(guān)在各個(gè)工作期間的功率損耗也很有意義，圖4給出了IGBT在通態(tài)，關(guān)斷和開通等階段的功率損耗及總功耗。應(yīng)當(dāng)指出，雖然在工作頻率低于5kHz時(shí)，IGBT中的通態(tài)功率損耗是主要的，但當(dāng)工作頻率較高時(shí)開關(guān)功耗則變?yōu)橹饕?，更重要的一點(diǎn)是，開通功率損耗顯然比關(guān)斷功率損耗還大，這是因?yàn)?，IGBT開通期間需要通過一個(gè)很大的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能夠減少開關(guān)功率器件關(guān)斷時(shí)間的方法經(jīng)常伴隨著其在導(dǎo)通狀態(tài)下壓降的增加，這樣也增加了開關(guān)功率器件的通態(tài)功率損耗。

圖4??? IGBT各個(gè)工作階段的功耗（直流母線電壓400V，電機(jī)電流15A）

??? 圖5示出了功率器件開關(guān)期間的電壓，電流和功率損耗示意圖。在功率器件開通瞬間，器件中電流包括從零上升到負(fù)載電流，再加上二極管的反向恢復(fù)電流及寄生電容的充電電流。典型情況下，將出現(xiàn)峰值電流和極高的器件損耗峰值。在功率器件關(guān)斷瞬間，器件兩端的電壓從零上升到直流母線電壓，由于線路電感的存在，由Ldi/dt引起的電壓沖擊將超過直流母線電壓，當(dāng)然，這個(gè)沖擊電壓可以通過很好的電路設(shè)計(jì)和高頻率的直流母線吸收電容來縮小。另外，關(guān)斷損耗對于不同類型的功率器件有所不同，主要取決于關(guān)斷延遲和電流下降時(shí)間。在不同類型的功率器件中，MOSFET的開關(guān)損耗最小，IGBT隨著制造工藝和載流子的壽命的不同而有所不同，也有一些速度極高的IGBT具有很小的關(guān)斷損耗,可以和MOSFET相媲美。一般情況下，由于BJT有一個(gè)較長的關(guān)斷時(shí)間，所以也有比較高的開關(guān)損耗。

圖5??? 硬開關(guān)條件下的器件開關(guān)波形

??? 在開關(guān)過程中存在的另外一個(gè)問題是器件上的電壓變化率dv/dt。在開通時(shí)，器件電壓下降為零；關(guān)斷時(shí)，開關(guān)上的電壓在上升到直流母線電壓時(shí)有一個(gè)過沖，典型的開關(guān)器件開關(guān)時(shí)電壓變化率>2000V/μs，如果考慮到門極驅(qū)動時(shí)的小電阻，可達(dá)到5000V/μs。器件兩端的寄生電容典型值在2～10nF之間，這個(gè)值可以在實(shí)驗(yàn)室測量出來。通常情況下由于電壓變化率和寄生電容之間的耦合影響，使得器件節(jié)點(diǎn)漏電流可以高達(dá)50A，這個(gè)耦合電容電流在開通時(shí)可能和線路電感之間產(chǎn)生振蕩，從而導(dǎo)致EMI問題。

??? 在器件兩端并聯(lián)一個(gè)電容可明顯地縮小器件的關(guān)斷損耗和關(guān)斷時(shí)的電壓變化率，但是，從另外一個(gè)方面又明顯地增加了器件的開通損耗。圖6解釋了器件兩端并聯(lián)電容時(shí)的開通情況。假定初始條件為負(fù)載電流從二極管D₂通過，當(dāng)S₁開通，需要關(guān)斷D₂，儲存在電容C_r1中的能量將通過S₁在一個(gè)近似于零電阻通道進(jìn)行放電。當(dāng)D₂被關(guān)斷后，電容C_r2將通過S₁由直流母線電壓對其進(jìn)行充電，也幾乎是一個(gè)零電阻通路。二極管反向恢復(fù)電流和電容充放電電流典型情況下要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載電流，從而引起較大的開通損耗。圖6(b)給出的波形說明了如果使用反向恢復(fù)速度較慢的二極管，則器件開通時(shí)的峰值電流將超過負(fù)載電流的20倍以上。

(a)??? 開通電路示意圖??? （b）??? 開通波形

圖6??? 開關(guān)器件兩端并接電容時(shí)開通電路示意及波形

??? 硬開關(guān)條件下，S₁的開通電流i_s1可以用式（1）來表示，

??? i_s1=i_Load＋i_D2(rr)＋i_Cr1＋i_Cr2??? （1）

式中：i_D2(rr)為二極管D₂的反向恢復(fù)電流。

??? 如此之高的開通電流導(dǎo)致器件的開通損耗和開關(guān)噪音大大增加，當(dāng)主開關(guān)器件選用一般的MOSFET時(shí)，這種狀況將變得更加糟糕。

??? 討論了硬開關(guān)條件下變頻器中存在的種種問題之后，采用軟開關(guān)技術(shù)的變頻器就是一種邏輯上較好的選擇。

??? 1）可以縮小開關(guān)損耗功率器件并聯(lián)電容可以明顯地減小功率器件的關(guān)斷損耗，如果能夠解決功率器件開通時(shí)零電壓問題，則會達(dá)到提高效率，更好利用器件，減小散熱片和冷卻器的體積的目的。

??? 2）可以減小開關(guān)時(shí)的電壓變化率在軟開關(guān)技術(shù)變頻器中，通過增加諧振電感，和吸收電容構(gòu)成諧振回路，在功率器件開通信號之前，使電容上的能量轉(zhuǎn)移到諧振電感上，電容兩端的電壓（開關(guān)兩端的電壓）為零，使得功率器件在零電壓下開通，避免在開關(guān)期間電容的充放電電流，避免電感電流通過負(fù)載，以減小和開關(guān)有關(guān)的EMI。

??? 3）可以大大提高開關(guān)頻率軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，開關(guān)頻率的提高，就能夠避免音頻噪音，減小轉(zhuǎn)矩和電流的毛刺，提高響應(yīng)速度。

5??? 結(jié)語

??? 對大功率諧振過渡軟開關(guān)變頻器的特點(diǎn)，存在問題，研究目標(biāo)和所要實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)作了概括性的總結(jié)。在續(xù)文中，將深入介紹該類型軟開關(guān)變頻器的主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。（待續(xù)）