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，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?，高質(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，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)化的重點之一。

1 大功率變頻器的特點

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。

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)計和制造帶來了很多特殊問題。諸如直流母線的設(shè)計、吸收電路的設(shè)計等。

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)載電機按設(shè)定轉(zhuǎn)速，設(shè)定轉(zhuǎn)矩運行，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

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，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kHz（2kHz～5kHz），此時的開關(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)頻率提高時的開關(guān)損耗，也是一個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個大功率開關(guān)器件，在傳統(tǒng)的強迫換流（硬開關(guān)）條件下，和小功率變頻器不同，每一個開關(guān)器件或者一個逆變橋臂上都需要一個吸收電路，此時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現(xiàn)的有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行了描述。

1）電機在額定轉(zhuǎn)速運行時效率大于98％，在10％額定轉(zhuǎn)速運行時效率大于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，影響效率的主要因素中，必須考慮的兩個最重要的功耗來源，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，可以使變頻器的運行效率達(dá)到最大值。電機在額定轉(zhuǎn)速運行時，變頻器的輸出功率最大，故其效率達(dá)到最高，電機低速運行時，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US＄10元/kW 相對于傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)變頻器，軟開關(guān)技術(shù)變頻器由于要額外地增加輔助的諧振電感和用來控制諧振發(fā)生和終止的輔助開關(guān)（功率器件）以及相關(guān)的控制電路，但是，對于大功率的變頻器，還可以省掉一些元器件（比如每個橋臂上原有的吸收電路及有關(guān)的輸出濾波裝置等）。另外，隨著電力電子器件設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的價格也越來越低，所以，對于整個軟開關(guān)技術(shù)變頻器來說，其制造成本不會有明顯的增加。

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本身的散熱量會大幅度降低，為功率開關(guān)而設(shè)計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/dt1kV/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)是一個不錯的指標(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）可靠性在電機壽命之內(nèi)沒有問題變頻器的可靠性取決于兩個方面，一是裝置所用元器件的使用壽命，二是電路設(shè)計的合理性（主要包括工作原理和保護(hù)設(shè)計的合理性）。

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)計時備受關(guān)注的問題。變頻器的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導(dǎo)致致命的后果。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含兩個方面的內(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度的干擾，另一些要求設(shè)備產(chǎn)生的干擾強度不能超過一定值。一個EMC合格的產(chǎn)品應(yīng)該能夠同時滿足這兩方面的要求。

變頻器是一種能夠產(chǎn)生較強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)動三相交流電機的電壓源三相逆變器系統(tǒng)一般構(gòu)成

圖2 一個開關(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

對于由兩個功率開關(guān)S₁和S₄構(gòu)成的一個逆變橋臂（S₁在上，S₄在下）來說，當(dāng)S₄開通時，通過感性負(fù)載的電流將開始增加。當(dāng)S₄被關(guān)斷時，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，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中有一個峰值很大的反向恢復(fù)電流，這個反向恢復(fù)電流也要流過S₄。所以，此時流過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S₄上的電壓仍然為直流母線電壓。這樣，S₄開通時，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，反向電流減少到零的同時承受一個很高的電壓和一個很大的反向電流，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，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％時功率損耗的計算結(jié)果?？梢钥闯?，隨著工作頻率的增加，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，電機電流15A）

另外，分析功率開關(guān)在各個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，IGBT中的通態(tài)功率損耗是主要的，但當(dāng)工作頻率較高時開關(guān)功耗則變?yōu)橹饕?，更重要的一點是，開通功率損耗顯然比關(guān)斷功率損耗還大，這是因為，IGBT開通期間需要通過一個很大的反并聯(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各個工作階段的功耗（直流母線電壓400V，電機電流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，這個沖擊電壓可以通過很好的電路設(shè)計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有一個較長的關(guān)斷時間，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問題是器件上的電壓變化率dv/dt。在開通時，器件電壓下降為零；關(guān)斷時，開關(guān)上的電壓在上升到直流母線電壓時有一個過沖，典型的開關(guān)器件開關(guān)時電壓變化率>2000V/μs，如果考慮到門極驅(qū)動時的小電阻，可達(dá)到5000V/μs。器件兩端的寄生電容典型值在2～10nF之間，這個值可以在實驗室測量出來。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)點漏電流可以高達(dá)50A，這個耦合電容電流在開通時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)一個電容可明顯地縮小器件的關(guān)斷損耗和關(guān)斷時的電壓變化率，但是，從另外一個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，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，存在問題，研究目標(biāo)和所要實現(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。