大功率諧振過(guò)渡軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器研究（1）

摘要：對傳統硬開(kāi)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(wèn)題，大功率諧振過(guò)渡軟開(kāi)關(guān)變頻器的研究目標，降低功率器件開(kāi)關(guān)損耗的途徑，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器擬實(shí)現的有關(guān)性能指標等方面的問(wèn)題進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：大功率變頻器；諧振過(guò)渡；軟開(kāi)關(guān)

在電力傳動(dòng)領(lǐng)域里，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷完善和工業(yè)領(lǐng)域對大功率，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(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，也是電力電子變換技術(shù)在電力驅動(dòng)方面科研成果轉化的重點(diǎn)之一。

1 大功率變頻器的特點(diǎn)

對于傳統的硬開(kāi)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(lái)說(shuō)，有著(zhù)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(wèn)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(lái)了很多特殊問(wèn)題。諸如直流母線(xiàn)的設計、吸收電路的設計等。

2）電路的耗散功率大，散熱問(wèn)題嚴重 由于變頻器功率很大，相對來(lái)說(shuō)，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(fā)熱量，改善散熱條件，降低熱阻是需要認真對待的問(wèn)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(guò)程中的嚴格把關(guān)，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(guò)壓、輸入欠壓，系統過(guò)熱，系統過(guò)流等；對負載電機的保護包括輸出過(guò)壓，輸出欠壓，輸出過(guò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)

雖然目前傳統硬開(kāi)關(guān)技術(shù)大功率變頻裝置的設計和制造已經(jīng)能夠滿(mǎn)足一般的工業(yè)生產(chǎn)中電力驅動(dòng)的要求，但也還存在著(zhù)許多需要探索的地方。

1）開(kāi)關(guān)頻率的提高 很久以來(lái)，人們已經(jīng)認識到，如果能將變頻器中功率器件的開(kāi)關(guān)頻率在原有基礎上進(jìn)一步大大提高，將會(huì )帶來(lái)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(huì )得到很大的改善。

2）開(kāi)關(guān)損耗的減少 由于大功率變頻器功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗的絕對值很大，當需要提高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，這種開(kāi)關(guān)損耗將會(huì )更加明顯，所以，大部分的大功率變頻器中功率器件的開(kāi)關(guān)頻率都在幾個(gè)kHz。在某些特殊用途的變頻裝置里，要求輸出頻率遠遠超過(guò)工頻，達到幾個(gè)kHz（2kHz～5kHz），此時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率必須達到幾十kHz，所以，在變頻裝置中如何減少開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，也是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)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(kāi)關(guān)器件，在傳統的強迫換流（硬開(kāi)關(guān)）條件下，和小功率變頻器不同，每一個(gè)開(kāi)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(guān)注的。

4）變頻器體積的縮小 隨著(zhù)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(chǎng)合，比如電動(dòng)汽車(chē)，電力機車(chē)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(wèn)題。

3 大功率軟開(kāi)關(guān)變頻器的研究目標

在有關(guān)的文獻中，對三相變頻器在電力傳動(dòng)方面期望實(shí)現的有關(guān)性能指標進(jìn)行了描述。

1）電機在額定轉速運行時(shí)效率大于98％，在10％額定轉速運行時(shí)效率大于80％ 對于傳統的硬開(kāi)關(guān)變頻器來(lái)說(shuō)，當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(lái)源，就是導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以消除功率器件的開(kāi)關(guān)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(shí)，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(shí)，輸出功率較小，而變頻器中開(kāi)關(guān)損耗的變化不大，故其效率低。

2）制造成本US＄10元/kW 相對于傳統的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器，軟開(kāi)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(lái)控制諧振發(fā)生和終止的輔助開(kāi)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(gè)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(zhù)電力電子器件設計和制造技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的價(jià)格也越來(lái)越低，所以，對于整個(gè)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器來(lái)說(shuō)，其制造成本不會(huì )有明顯的增加。

3）功率密度>100kW/ft³(3.53W/cm³) 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器優(yōu)良特性的最大體現，一是功率器件的開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，二是開(kāi)關(guān)損耗的大幅度降低。這就意味著(zhù)功率器件在工作時(shí)本身的散熱量會(huì )大幅度降低，為功率開(kāi)關(guān)而設計的散熱器尺寸會(huì )大大減小，這樣，功率密度肯定會(huì )大大提高。當然，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(kāi)關(guān)器件的尺寸只有主開(kāi)關(guān)器件的幾分之一，相對于傳統的無(wú)源吸收器電路（二極管＋電容＋大電阻），諧振吸收器電路（開(kāi)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(shí)的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相對于傳統的硬開(kāi)關(guān)，1kV/μs的電壓變化率已經(jīng)是一個(gè)不錯的指標了。

5）開(kāi)關(guān)頻率>20kHz 功率器件的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率大于18kHz以后，將不會(huì )產(chǎn)生音頻噪音。

6）可靠性在電機壽命之內沒(méi)有問(wèn)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(chǎn)生干擾電磁兼容性是近年來(lái)電力電子設備設計時(shí)備受關(guān)注的問(wèn)題。變頻器的大量使用，帶來(lái)了相互干擾的問(wèn)題，有時(shí)可能導致致命的后果。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含兩個(gè)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(lái)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(chǎn)生的干擾強度不能超過(guò)一定值。一個(gè)EMC合格的產(chǎn)品應該能夠同時(shí)滿(mǎn)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備，很有可能對其周邊設備造成干擾。同時(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)損耗的途徑

傳統的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器在開(kāi)關(guān)切換期間存在著(zhù)一些問(wèn)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內典型的電流和電壓工作波形。

圖1 用于驅動(dòng)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內功率開(kāi)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(kāi)關(guān)S₁和S₄構成的一個(gè)逆變橋臂（S₁在上，S₄在下）來(lái)說(shuō)，當S₄開(kāi)通時(shí)，通過(guò)感性負載的電流將開(kāi)始增加。當S₄被關(guān)斷時(shí)，感性負載中的電流不可能立刻發(fā)生變化，它必須通過(guò)S₁上的反并聯(lián)二極管D1進(jìn)行續流。

假設初始電流流過(guò)二極管D₁，當S₄開(kāi)通時(shí)，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(tài)恢復到反向阻斷狀態(tài)，相反，在D₁恢復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電流，這個(gè)反向恢復電流也要流過(guò)S₄。所以，此時(shí)流過(guò)S₄的電流是負載電流和D₁反向恢復電流之和。而且，此時(shí)S₄上的電壓仍然為直流母線(xiàn)電壓。這樣，S₄開(kāi)通時(shí)，將產(chǎn)生很大的開(kāi)通損耗。而且將承受很大的電壓和電流應力，如果這個(gè)應力超過(guò)其安全工作區的極限，功率開(kāi)關(guān)器件將永久損壞。另外，當D₁開(kāi)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S₄被關(guān)斷時(shí)，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(xiàn)電壓，此時(shí)流過(guò)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(shí)它承受的還是直流母線(xiàn)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(mén)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(chǎng)效應晶體管（MOSFET）。然而，這些器件的開(kāi)關(guān)特性相對較差，特別是在硬開(kāi)關(guān)條件下的關(guān)斷拖尾電流，將產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗。另外一個(gè)開(kāi)關(guān)損耗的來(lái)源是功率開(kāi)關(guān)上反并聯(lián)二極管的反向恢復電流，它將在硬開(kāi)關(guān)條件下引起明顯的開(kāi)通損耗。

近年來(lái)，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(lián)二極管的IGBT工作在占空比為50％時(shí)功率損耗的計算結果?？梢钥闯?，隨著(zhù)工作頻率的增加，功率損耗迅速增大，這表明開(kāi)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(xiàn)電壓400V，電機電流15A）

另外，分析功率開(kāi)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(kāi)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(shí)，IGBT中的通態(tài)功率損耗是主要的，但當工作頻率較高時(shí)開(kāi)關(guān)功耗則變?yōu)橹饕?，更重要的一點(diǎn)是，開(kāi)通功率損耗顯然比關(guān)斷功率損耗還大，這是因為，IGBT開(kāi)通期間需要通過(guò)一個(gè)很大的反并聯(lián)二極管的反向恢復電流。已經(jīng)發(fā)現，能夠減少開(kāi)關(guān)功率器件關(guān)斷時(shí)間的方法經(jīng)常伴隨著(zhù)其在導通狀態(tài)下壓降的增加，這樣也增加了開(kāi)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(xiàn)電壓400V，電機電流15A）

圖5示出了功率器件開(kāi)關(guān)期間的電壓，電流和功率損耗示意圖。在功率器件開(kāi)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(guān)斷瞬間，器件兩端的電壓從零上升到直流母線(xiàn)電壓，由于線(xiàn)路電感的存在，由Ldi/dt引起的電壓沖擊將超過(guò)直流母線(xiàn)電壓，當然，這個(gè)沖擊電壓可以通過(guò)很好的電路設計和高頻率的直流母線(xiàn)吸收電容來(lái)縮小。另外，關(guān)斷損耗對于不同類(lèi)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(lèi)型的功率器件中，MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗最小，IGBT隨著(zhù)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(cháng)的關(guān)斷時(shí)間，所以也有比較高的開(kāi)關(guān)損耗。

圖5 硬開(kāi)關(guān)條件下的器件開(kāi)關(guān)波形

在開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在的另外一個(gè)問(wèn)題是器件上的電壓變化率dv/dt。在開(kāi)通時(shí)，器件電壓下降為零；關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)上的電壓在上升到直流母線(xiàn)電壓時(shí)有一個(gè)過(guò)沖，典型的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)時(shí)電壓變化率>2000V/μs，如果考慮到門(mén)極驅動(dòng)時(shí)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(gè)值可以在實(shí)驗室測量出來(lái)。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(diǎn)漏電流可以高達50A，這個(gè)耦合電容電流在開(kāi)通時(shí)可能和線(xiàn)路電感之間產(chǎn)生振蕩，從而導致EMI問(wèn)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(kāi)通損耗。圖6解釋了器件兩端并聯(lián)電容時(shí)的開(kāi)通情況。假定初始條件為負載電流從二極管D₂通過(guò)，當S₁開(kāi)通，需要關(guān)斷D₂，儲存在電容C_r1中的能量將通過(guò)S₁在一個(gè)近似于零電阻通道進(jìn)行放電。當D₂被關(guān)斷后，電容C_r2將通過(guò)S₁由直流母線(xiàn)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(kāi)通損耗。圖6(b)給出的波形說(shuō)明了如果使用反向恢復速度較慢的二極管，則器件開(kāi)通時(shí)的峰值電流將超過(guò)負載電流的20倍以上。

(a) 開(kāi)通電路示意圖 （b） 開(kāi)通波形

圖6 開(kāi)關(guān)器件兩端并接電容時(shí)開(kāi)通電路示意及波形

硬開(kāi)關(guān)條件下，S₁的開(kāi)通電流i_s1可以用式（1）來(lái)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(kāi)通電流導致器件的開(kāi)通損耗和開(kāi)關(guān)噪音大大增加，當主開(kāi)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(kāi)關(guān)條件下變頻器中存在的種種問(wèn)題之后，采用軟開(kāi)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(kāi)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(kāi)通時(shí)零電壓?jiǎn)?wèn)題，則會(huì )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(kāi)關(guān)時(shí)的電壓變化率在軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器中，通過(guò)增加諧振電感，和吸收電容構成諧振回路，在功率器件開(kāi)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(kāi)關(guān)兩端的電壓）為零，使得功率器件在零電壓下開(kāi)通，避免在開(kāi)關(guān)期間電容的充放電電流，避免電感電流通過(guò)負載，以減小和開(kāi)關(guān)有關(guān)的EMI。

3）可以大大提高開(kāi)關(guān)頻率軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現，開(kāi)關(guān)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(yǔ)

對大功率諧振過(guò)渡軟開(kāi)關(guān)變頻器的特點(diǎn)，存在問(wèn)題，研究目標和所要實(shí)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(lèi)型軟開(kāi)關(guān)變頻器的主電路和控制電路的設計。