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基于软开关技术的PWM变频调速系统

作者:  时间:2011-03-23 19:19  来源:EDN

  1引言

  PWM(脉宽调制)功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器,减小了装置的体积重量,提高了电源的功率密度与整机效率。然而,在硬开关状态下工作的PWM变换器,随着开关频率的上升,一方面开关管的开关损耗会成比例地上升,使电路效率降低,处理功率的能力减小;另一方面,会产生严重的电磁干扰(EMI)

  由于功率开关管并不是理想开关,开通和关断都需要一定时间,在这段时间里,在开关管两端电压(或电流)减小的同时,通过的电流(或电压)上升,形成电压和电流波形的交叠,从而产生了开关损耗。本文介绍一种采用软开关技术的PWM变频调速系统,使开关损耗大幅减小。

  2软开关技术的优点

  所谓软开关通常是指零电压开关ZVS(zerovoltageswitching)和零电流开关ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零电压开关与零电流开关。

  硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程;而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振,使开关器件中电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化,当电流自然过零时器件关断;当电压降到零时,器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程,使器件的开关损耗理论上为零。

  软开关技术的应用,在理论上使开关管的开关损耗为零,从而可以使开关频率进一步提高,使电力电子变换器具有更高的效率,更高的功率密度,体积、重量大大减小,具有更高的可靠性;并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污染(EMI)和环境污染(噪声等)

  3ADRPI变换桥臂的拓扑结构及工作原理

  辅助二极管变换极逆变器(ADRPI)拓扑结构见图1。若定义电路中Q1导通、Q2截止为“1”状态,而Q2导通、Q1截止为“0”状态,则这种变换桥臂的基本工作原理是:

1 ADRPI一条变换臂的拓扑结构图

  (1)设电路的初始状态为“1”状态,即Q1导通、Q2截止,极电压VC2由于箝位二极管Dc的作用被箝位在电源电压Vin,电感电流iL为稳定正值,电感电压VL等于零,这时的电感L作为能量储存元件而存在。这个状态的持续时间由系统的PWM调制策略所决定。

  (2)当电路需从“1”状态变为“0”状态时,在缓冲电容CC1的作用下关断Q1,电感电流iL通过二极管D2续流,电感L与电容C2谐振。当iL由正值变为负值时,Q2在零电压条件下自然导通。当VC2谐振到零时,二极管Dfw导通,VC2被箍位在零值,iL保持为稳定负值,VL为零,电路保持在“0”状态。

  (3)当PWM调制要求电路从“0”状态变回到“1”状态时,在缓冲电容CC2的作用下关断Q2iL通过二极管D1续流,L与电容C1谐振。当iL由负值变为正值时,Q1在零电压条件下自然导通。当VC2谐振到Vin时,二极管Dc导通,VC2被箝位到电源电压ViniL保持为稳定正值,VL为零,电路回到“1”状态。

  从以上ADRPI变换桥臂的工作过程可看出,开关次序Q1D2Q2D1,给所有开关器件提供了最优越的开关环境。在Q1Q2的导通过程中,通过带有零电压检测的基极驱动电路检测横跨开关器件两端的电压,以保证当二极管D1D2停止导电后,Q1Q2迅速自然导通,这样就基本上消除了器件的导通损耗。而且在这个过程中并不需要使用快速二极管,二极管D1D2在通过其上的电流为零后自然关断。Q1Q2的关断过程是在缓冲电容CC1CC2的作用下完成的。在Q1Q2关断的瞬间,其上电压为零,而后,其上的dv/dt将受到CC1CC2的限制,这样就完全排除了在关断过程中大电流和高电压同时存在的可能,从而极大地减少了关断损耗。二极管DfwDc也具有非常良好的工作环境,其上的dv/dt被谐振电容所限制,而关断时的di/dt又被电感L所限制。

  在这种零电压开关模式下工作的大功率开关管,只有在横跨其两端电压为零时才能导通,这意味着同一桥臂的另一开关此时承受着全部电压,即已经关断。因此这种技术从根本上排除了由于直通而造成电源短路的可能,使逆变桥臂的工作具有很高的可靠性。图1所示拓扑结构又称为结实型变换桥臂(ruggedinvertleg)。

  使用一条结实型桥臂,可使稳定的直流电源变为可调节的直流电源,输出电压随着占空比的变化从零电压变化到电源电压,并且允许功率反向流动,这种电源可用于两象限的直流传动控制。使用两条结实型桥臂,可构成一单相交流电源,这种逆变器理论上对负载功率因数没有任何限制,因此可用于不间断电源或单相交流传动控制系统。

  我们在主电路中使用三条结实型桥臂构成三相交流逆变器,这种逆变器可对具有任意功率因数的三相不平衡负载供电,可用于三相交流传动控制系统。

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