大功率諧振過渡軟開關技術變頻器研究（1）

摘要：對傳統硬開關技術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變頻器的研究目標，降低功率器件開關損耗的途徑，軟開關技術變頻器擬實現的有關性能指標等方面的問題進行了概述。

關鍵詞：大功率變頻器；諧振過渡；軟開關

在電力傳動領域里，隨著電力電子技術的不斷完善和工業領域對大功率，高質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、開發的熱點，也是電力電子變換技術在電力驅動方面科研成果轉化的重點之一。

1 大功率變頻器的特點

對于傳統的硬開關技術變頻器，由于功率器件的發展，已經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，可達到數十A到數百A，這就給電路拓撲的選擇、電路元器件的設計和制造帶來了很多特殊問題。諸如直流母線的設計、吸收電路的設計等。

2）電路的耗散功率大，散熱問題嚴重 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，變頻器的熱設計變得十分重要。如何降低發熱量，改善散熱條件，降低熱阻是需要認真對待的問題。通常情況下需要采用強制風冷的措施。

3）可靠性要求高，需要完善的自保護和負載保護功能 由于大功率變頻器主電路元器件的成本較高，而且負載電機的制造成本也很高，一旦出現故障影響很大，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，一方面在于設計中留有足夠的裕量和制造過程中的嚴格把關，另一方面需要在設計中考慮到各種故障可能，并采用相應的保護措施，避免危及變頻器本身及負載電機的安全。對變頻器本身的保護內容包括輸入過壓、輸入欠壓，系統過熱，系統過流等；對負載電機的保護包括輸出過壓，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該是保證負載電機按設定轉速，設定轉矩運行，有速度傳感器的PID調節，矢量控制，直接轉矩控制以及現代控制理論（自適應控制、模糊控制、神經網絡控制等）的應用。還有涉及到變頻器本身的死區補償，空間矢量調制等細節性的算法等。

2 目前大功率變頻器的研究特點

雖然目前傳統硬開關技術大功率變頻裝置的設計和制造已經能夠滿足一般的工業生產中電力驅動的要求，但也還存在著許多需要探索的地方。

1）開關頻率的提高 很久以來，人們已經認識到，如果能將變頻器中功率器件的開關頻率在原有基礎上進一步大大提高，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）開關損耗的減少 由于大功率變頻器功率器件開關過程損耗的絕對值很大，當需要提高開關頻率時，這種開關損耗將會更加明顯，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，要求輸出頻率遠遠超過工頻，達到幾個kHz（2kHz～5kHz），此時的開關頻率必須達到幾十kHz，所以，在變頻裝置中如何減少開關頻率提高時的開關損耗，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個大功率開關器件，在傳統的強迫換流（硬開關）條件下，和小功率變頻器不同，每一個開關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，而且不能節約能源。如何能夠省掉吸收電路，又能保護功率器件的安全運行，也是人們所關注的。

4）變頻器體積的縮小 隨著功率器件制造技術的發展，在大功率變頻器中，為功率器件散熱而設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 大功率軟開關變頻器的研究目標

在有關的文獻中，對三相變頻器在電力傳動方面期望實現的有關性能指標進行了描述。

1）電機在額定轉速運行時效率大于98％，在10％額定轉速運行時效率大于80％ 對于傳統的硬開關變頻器來說，當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，就是導通損耗和開關損耗。軟開關技術可以消除功率器件的開關損耗，所以，可以使變頻器的運行效率達到最大值。電機在額定轉速運行時，變頻器的輸出功率最大，故其效率達到最高，電機低速運行時，輸出功率較小，而變頻器中開關損耗的變化不大，故其效率低。

2）制造成本US＄10元/kW 相對于傳統的硬開關技術變頻器，軟開關技術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生和終止的輔助開關（功率器件）以及相關的控制電路，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的輸出濾波裝置等）。另外，隨著電力電子器件設計和制造技術的發展，電力電子器件的價格也越來越低，所以，對于整個軟開關技術變頻器來說，其制造成本不會有明顯的增加。

3）功率密度>100kW/ft³(3.53W/cm³) 軟開關技術變頻器優良特性的最大體現，一是功率器件的開關頻率可以大幅度提高，二是開關損耗的大幅度降低。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，為功率開關而設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。當然，輔助諧振網絡和控制電路的安裝要增大尺寸，但是，輔助開關器件的尺寸只有主開關器件的幾分之一，相對于傳統的無源吸收器電路（二極管＋電容＋大電阻），諧振吸收器電路（開關＋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斷時的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相對于傳統的硬開關，1kV/μs的電壓變化率已經是一個不錯的指標了。

5）開關頻率>20kHz 功率器件的開關頻率指標定為20kHz以上，是考慮到音頻信號的頻率在18kHz以下，當開關頻率大于18kHz以后，將不會產生音頻噪音。

6）可靠性在電機壽命之內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，二是電路設計的合理性（主要包括工作原理和保護設計的合理性）。

7）EMI零電磁輻射不產生干擾電磁兼容性是近年來電力電子設備設計時備受關注的問題。變頻器的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導致致命的后果。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含兩個方面的內容，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生的干擾強度。針對電磁兼容性的國際和國內標準很多，有些要求設備能夠抵抗一定形式和強度的干擾，另一些要求設備產生的干擾強度不能超過一定值。一個EMC合格的產品應該能夠同時滿足這兩方面的要求。

變頻器是一種能夠產生較強寬頻帶電磁信號的設備，很有可能對其周邊設備造成干擾。同時它又是一種比較容易受到干擾的設備，多數電子設備在受到干擾時僅表現為性能的劣化，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重損壞。因此，其電磁兼容性更應該引起充分重視。

4 降低功率器件開關損耗的途徑

傳統的硬開關技術變頻器在開關切換期間存在著一些問題，圖1給出了現在常用的系統構成。圖2給出了感性負載下，三相逆變器中U相橋臂功率器件在一個開關周期內典型的電流和電壓工作波形。

圖1 用于驅動三相交流電機的電壓源三相逆變器系統一般構成

圖2 一個開關周期內功率開關器件和反并聯二極管上的電流和電壓波形

對于由兩個功率開關S₁和S₄構成的一個逆變橋臂（S₁在上，S₄在下）來說，當S₄開通時，通過感性負載的電流將開始增加。當S₄被關斷時，感性負載中的電流不可能立刻發生變化，它必須通過S₁上的反并聯二極管D1進行續流。

假設初始電流流過二極管D₁，當S₄開通時，負載電流將從D₁轉移到S₄，遺憾的是，二極管D1不能立即從正向導通狀態恢復到反向阻斷狀態，相反，在D₁恢復到能承受反向電壓之前，D₁中有一個峰值很大的反向恢復電流，這個反向恢復電流也要流過S₄。所以，此時流過S₄的電流是負載電流和D₁反向恢復電流之和。而且，此時S₄上的電壓仍然為直流母線電壓。這樣，S₄開通時，將產生很大的開通損耗。而且將承受很大的電壓和電流應力，如果這個應力超過其安全工作區的極限，功率開關器件將永久損壞。另外，當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，反并聯二極管也將產生很大的功耗。

當S₄被關斷時，負載電流轉移到二極管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載電流；當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晶體管（MOSFET）。然而，這些器件的開關特性相對較差，特別是在硬開關條件下的關斷拖尾電流，將產生很大的開關損耗。另外一個開關損耗的來源是功率開關上反并聯二極管的反向恢復電流，它將在硬開關條件下引起明顯的開通損耗。

近年來，高性能的IGBT已成為交流電機調速系統普遍選擇的器件。圖3給出了帶反并聯二極管的IGBT工作在占空比為50％時功率損耗的計算結果。可以看出，隨著工作頻率的增加，功率損耗迅速增大，這表明開關損耗比通態損耗更重要。

圖3 IGBT和反并聯二極管功能（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，關斷和開通等階段的功率損耗及總功耗。應當指出，雖然在工作頻率低于5kHz時，IGBT中的通態功率損耗是主要的，但當工作頻率較高時開關功耗則變為主要的，更重要的一點是，開通功率損耗顯然比關斷功率損耗還大，這是因為，IGBT開通期間需要通過一個很大的反并聯二極管的反向恢復電流。已經發現，能夠減少開關功率器件關斷時間的方法經常伴隨著其在導通狀態下壓降的增加，這樣也增加了開關功率器件的通態功率損耗。

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載電流，再加上二極管的反向恢復電流及寄生電容的充電電流。典型情況下，將出現峰值電流和極高的器件損耗峰值。在功率器件關斷瞬間，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，當然，這個沖擊電壓可以通過很好的電路設計和高頻率的直流母線吸收電容來縮小。另外，關斷損耗對于不同類型的功率器件有所不同，主要取決于關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有一個較長的關斷時間，所以也有比較高的開關損耗。

圖5 硬開關條件下的器件開關波形

在開關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；關斷時，開關上的電壓在上升到直流母線電壓時有一個過沖，典型的開關器件開關時電壓變化率>2000V/μs，如果考慮到門極驅動時的小電阻，可達到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，使得器件節點漏電流可以高達50A，這個耦合電容電流在開通時可能和線路電感之間產生振蕩，從而導致EMI問題。

在器件兩端并聯一個電容可明顯地縮小器件的關斷損耗和關斷時的電壓變化率，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電容時的開通情況。假定初始條件為負載電流從二極管D₂通過，當S₁開通，需要關斷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行放電。當D₂被關斷后，電容C_r2將通過S₁由直流母線電壓對其進行充電，也幾乎是一個零電阻通路。二極管反向恢復電流和電容充放電電流典型情況下要遠遠大于負載電流，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速度較慢的二極管，則器件開通時的峰值電流將超過負載電流的20倍以上。

(a) 開通電路示意圖 （b） 開通波形

圖6 開關器件兩端并接電容時開通電路示意及波形

硬開關條件下，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的反向恢復電流。

如此之高的開通電流導致器件的開通損耗和開關噪音大大增加，當主開關器件選用一般的MOSFET時，這種狀況將變得更加糟糕。

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

1）可以縮小開關損耗功率器件并聯電容可以明顯地減小功率器件的關斷損耗，如果能夠解決功率器件開通時零電壓問題，則會達到提高效率，更好利用器件，減小散熱片和冷卻器的體積的目的。

2）可以減小開關時的電壓變化率在軟開關技術變頻器中，通過增加諧振電感，和吸收電容構成諧振回路，在功率器件開通信號之前，使電容上的能量轉移到諧振電感上，電容兩端的電壓（開關兩端的電壓）為零，使得功率器件在零電壓下開通，避免在開關期間電容的充放電電流，避免電感電流通過負載，以減小和開關有關的EMI。

3）可以大大提高開關頻率軟開關技術的實現，開關頻率的提高，就能夠避免音頻噪音，減小轉矩和電流的毛刺，提高響應速度。

5 結語

對大功率諧振過渡軟開關變頻器的特點，存在問題，研究目標和所要實現的性能指標作了概括性的總結。在續文中，將深入介紹該類型軟開關變頻器的主電路和控制電路的設計。