谐振极软开关逆变器采用谐振极软开关逆变器的直接转矩控制

直接转矩控制理论以其控制手段直接、结构简单、性能优良等特点，在很大程度上解决了矢量控制中控制复杂、特性易受电机参数变化的影响，以及实际性能难以达到理论分析结果的诸多重大问题。然而，在低速情况下直接转矩控制却存在转矩脉动的不足。此时若能提高开关频率，则可改善转速的低频脉动情况。在高速范围时，通常需要放宽转矩容差来避免过高的开关频率，转矩容差设定的窄些，对减小转矩脉动是有利的，但却增加了逆变器的开关频率，使之成为进一步提高直接转矩控制系统调速精度的不利因素。在传统的硬开关逆变器中，由于存在开关消耗，因此开关频率难以进一步提高。软开关技术则是提高开关频率，减少开关损耗的最好方法。 2100433B

无刷直流电机以其优越的性能获得了迅猛发展，然而，无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动，硬开关逆变器的系统效率较低，开关器件的电压、电流应力大，散热器的体积和重量较大，而且硬性通/断产生的过高du/dt和di/dt给系统造成了非常严重的电磁干扰，影响电机的绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区，从而导致开关器件的损坏，影响系统的可靠性。因此，硬开关逆变器限制了大功率无刷直流电机驱动系统功率密度和性能的进一步提高，控制器效率、电磁干扰、体积重量问题日益突显，成为制约其快速发展的主要因素。

为了解决硬开关逆变器的诸多问题，人们将更多的努力投向了软开关技术。自从20世纪80年代初提出谐振开关——软性开关的概念，软开关技术吸引了大量的研究人员，成为电力电子和运动控制领域的研究热点。用于交流电机驱动的软开关电压源逆变器主要包括两种类型：谐振直流环节逆变器和谐振极逆变器。谐振直流环节软开关逆变器的研究产生了许多拓扑和控制方法，该类逆变器共同的特点是在直流母线上串接一个功率器件，其导通损耗将严重影响逆变器效率的提高，且直流母线凹槽影响直流电压的利用率。

谐振极逆变器的辅助电路连接在逆变器的三个输出端，直流环节电压不受谐振的影响。谐振极逆变器代表性的电路有准谐振电流模式逆变器、辅助谐振换相极逆变器、零电压转换逆变器、星形缓冲器和三角形缓冲器。但这些谐振极逆变器的研究主要集中在异步电动机驱动，异步电动机为正弦波控制三相绕组中通有正弦电流，而无刷直流电机工作在星形三相六状态120°换相时为方波控制，只有两相通电且为方波，控制方法及开关器件的动作都有较大差异，因而，传统的谐振极软开关逆变技术并不完全适合于无刷直流电机，有必要研究适用于无刷直流电机的谐振极软开关逆变器。提出了一种专用于无刷直流电机驱动系统的谐振极软开关逆变器，如图1所示。三相桥臂的极点连接谐振网络，每相谐振网络含有一个双向开关和一个小的缓冲谐振电容，三相共用一个谐振电感和两个形成直流母线中点电压的电容。缓冲谐振电容为该相主开关器件的 PWM 调制提供 ZVS 关断条件，双向开关控制谐振过程实现缓冲谐振电容的电位变化，为主开关器件的 PWM 调制提供 ZVS 开通条件。双向开关的通断均在 ZCS 条件下进行，其电压应力为直流电源的一半。

图2为新型H电平软开关逆变器结构图，在原有T型H电平逆变器基础上加入一个缓冲电感L，两个缓冲电容C₁、C₂，四个二极管D_h1、D_h2、D_h3、D_h4构成了新型H电平软开关逆变器。和现有的硬开关H电平逆变器相比其可在开关管导通、关断过程中实现零电压关断、零电流导通。这样可W有效减小开关损耗进而提高逆变器效率。这种软开关同样可W应用于二极管钳位式H电平逆变器中，本文主要分析其在T型H电平逆变器中的应用。

对H电平软开关逆变器进行一个总体概述，根据开关管导通状态、输出电压及电流方向可以将H电平软开关逆变器工作状态分为以下几类，并列表如图3所示。我们规定电流由逆变器流向负载时电流方向为正，反之电流由负载流向逆变器时电流方向为负，缓冲电容左侧电压高于右侧电压为正。下表主要用来说明在不同工况下所涉及的功率开关器件及电容电压变化。从上图可看出H电平软开关逆变器具有四种电平开关变换方式。每种电平以变化方式根据电流方向的不同又可分为两种，但正电平与负电平不能直接变换 。

软开关技术的主要思想是通过在回路中加入缓冲电感、电容，通过电感、电容的谐振作用，使功率开关器件两端电压或者电流为零。当功率开关器件在零电流条件下动作时，称为零电流软开关（ZCS）；在零电压条件下动作，称为零电压软开关（ZVS）。由于开关器件在零电流或零电压条件下完成开关动作不存在电流与电压的积分，所以可以近似认为其开关损耗为零。图1表示的为软硬开关模式下的电压电流轨迹图。图中轨迹A、B和C、D分别表示硬开关关断、开通和软开关开通、关断的轨迹，虚线部分则为开关管的安全工作区，阴影部分表示开关损耗。

从图中可以看出：

（1）功率开关管器件工作在软开关条件下超出安全工作区的可能性大为减小，使得开关管的工作环境大为改善，系统的安全性可靠性大为提高。

（2）由于开关管的功率损耗P为开关管关断过程中的电压与电流的积分。从图中明显的可以看出软开关条件下的开关损耗要远小于硬开关条件下的开关损耗。

（3）巧于在实际电路设计中不能达到理想情况下，会在主回路中产生各种寄生电感电容，又由于功率开关管器件动作速度极快，这就导致这些寄生参数在开关管上产生过电压或过电流的尖峰。而软开关由于可以将开关管电压或者电流钳位到0，这样可有效地减小开关应力，降低du/dt、di/dt，并且使得电磁干扰（EMI）得到有效的抑制。由于软开关具有上述优点使其在PWM逆变器高频化过程中得到很高的关注，也使得各国学者争相研究各种软开关拓扑结构。

前言

第1章概述

第2章谐振直流环节软开关逆变器

第3章无刷直流电机专用谐振极软开关逆变器

第4章无刷直流电机逆变器的能耗分析

参考文献 2100433B