大功率谐振过渡软开关技术变频器研究（1）

摘要：对传统硬开关技术大功率变频器的特点，目前大功率变频器研究中存在的问题，大功率谐振过渡软开关变频器的研究目标，降低功率器件开关损耗的途径，软开关技术变频器拟实现的有关性能指标等方面的问题进行了概述。

关键词：大功率变频器；谐振过渡；软开关

    在电力传动领域里，随着电力电子技术的不断完善和工业领域对大功率，高质量变频器日益迫切的需求，大功率变频装置的研究成为科研、开发的热点，也是电力电子变换技术在电力驱动方面科研成果转化的重点之一。

1    大功率变频器的特点

    对于传统的硬开关技术变频器，由于功率器件的发展，已经形成了比较成熟的电路和控制方法。但对于大功率变频装置来说，有着它自己的特点。

    1）主电路功率器件上的电流大    如果不考虑高电压的问题，大功率变频装置的输入电压和输出电压额定值通常为三相交流380V的电压，与小功率的一样，但由于功率较大，所以主电路中的电流很大，可达到数十A到数百A，这就给电路拓扑的选择、电路元器件的设计和制造带来了很多特殊问题。诸如直流母线的设计、吸收电路的设计等。

    2）电路的耗散功率大，散热问题严重    由于变频器功率很大，相对来说，电路损耗的绝对值很大，因此，变频器的热设计变得十分重要。如何降低发热量，改善散热条件，降低热阻是需要认真对待的问题。通常情况下需要采用强制风冷的措施。

    3）可靠性要求高，需要完善的自保护和负载保护功能    由于大功率变频器主电路元器件的成本较高，而且负载电机的制造成本也很高，一旦出现故障影响很大，因此，对可靠性的要求很高。一般情况下，在提高变频器可靠性的措施中，一方面在于设计中留有足够的裕量和制造过程中的严格把关，另一方面需要在设计中考虑到各种故障可能，并采用相应的保护措施，避免危及变频器本身及负载电机的安全。对变频器本身的保护内容包括输入过压、输入欠压，系统过热，系统过流等；对负载电机的保护包括输出过压，输出欠压，输出过流等。

    4）控制功能的不断增加    所有控制方法的最终目的应该是保证负载电机按设定转速，设定转矩运行，有速度传感器的PID调节，矢量控制，直接转矩控制以及现代控制理论（自适应控制、模糊控制、神经网络控制等）的应用。还有涉及到变频器本身的死区补偿，空间矢量调制等细节性的算法等。

2    目前大功率变频器的研究特点

    虽然目前传统硬开关技术大功率变频装置的设计和制造已经能够满足一般的工业生产中电力驱动的要求，但也还存在着许多需要探索的地方。

    1）开关频率的提高    很久以来，人们已经认识到，如果能将变频器中功率器件的开关频率在原有基础上进一步大大提高，将会带来一系列好处。如输出波形中的低次谐波被更有效地抑制，输出电压和电流将更趋于正弦波形，滤波器的尺寸将大大缩小等，变频器，特别是大功率的变频器，功率密度和性能将会得到很大的改善。

    2）开关损耗的减少    由于大功率变频器功率器件开关过程损耗的绝对值很大，当需要提高开关频率时，这种开关损耗将会更加明显，所以，大部分的大功率变频器中功率器件的开关频率都在几个kHz。在某些特殊用途的变频装置里，要求输出频率远远超过工频，达到几个kHz（2kHz～5kHz），此时的开关频率必须达到几十kHz，所以，在变频装置中如何减少开关频率提高时的开关损耗，也是一个迫切需要解决的问题。

    3）吸收电路的改善    一般情况下，三相变频器中需要6个大功率开关器件，在传统的强迫换流（硬开关）条件下，和小功率变频器不同，每一个开关器件或者一个逆变桥臂上都需要一个吸收电路，此时的吸收电路需要较大电阻、电容和二极管，这不但增大了整个装置体积和安装难度，而且不能节约能源。如何能够省掉吸收电路，又能保护功率器件的安全运行，也是人们所关注的。

    4）变频器体积的缩小    随着功率器件制造技术的发展，在大功率变频器中，为功率器件散热而设计的散热器要占很大的体积，从而使得大功率变频器的体积比较大。对于一些特殊的应用场合，比如电动汽车，电力机车等，要求变频器功率大，体积小。这就需要解决减小散热器体积的问题。

3    大功率软开关变频器的研究目标

    在有关的文献中，对三相变频器在电力传动方面期望实现的有关性能指标进行了描述。

    1）电机在额定转速运行时效率大于98％，在10％额定转速运行时效率大于80％    对于传统的硬开关变频器来说，当功率器件为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）时，影响效率的主要因素中，必须考虑的两个最重要的功耗来源，就是导通损耗和开关损耗。软开关技术可以消除功率器件的开关损耗，所以，可以使变频器的运行效率达到最大值。电机在额定转速运行时，变频器的输出功率最大，故其效率达到最高，电机低速运行时，输出功率较小，而变频器中开关损耗的变化不大，故其效率低。

    2）制造成本<US＄10元/kW    相对于传统的硬开关技术变频器，软开关技术变频器由于要额外地增加辅助的谐振电感和用来控制谐振发生和终止的辅助开关（功率器件）以及相关的控制电路，但是，对于大功率的变频器，还可以省掉一些元器件（比如每个桥臂上原有的吸收电路及有关的输出滤波装置等）。另外，随着电力电子器件设计和制造技术的发展，电力电子器件的价格也越来越低，所以，对于整个软开关技术变频器来说，其制造成本不会有明显的增加。

    3）功率密度>100kW/ft³(3.53W/cm³)    软开关技术变频器优良特性的最大体现，一是功率器件的开关频率可以大幅度提高，二是开关损耗的大幅度降低。这就意味着功率器件在工作时本身的散热量会大幅度降低，为功率开关而设计的散热器尺寸会大大减小，这样，功率密度肯定会大大提高。当然，辅助谐振网络和控制电路的安装要增大尺寸，但是，辅助开关器件的尺寸只有主开关器件的几分之一，相对于传统的无源吸收器电路（二极管＋电容＋大电阻），谐振吸收器电路（开关＋电容＋小电感）明显缩小了。

    4）dv/dt<1kV/μs    功率器件上并接的吸收电容能够大大减小功率器件关断时的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相对于传统的硬开关，1kV/μs的电压变化率已经是一个不错的指标了。

    5）开关频率>20kHz    功率器件的开关频率指标定为20kHz以上，是考虑到音频信号的频率在18kHz以下，当开关频率大于18kHz以后，将不会产生音频噪音。

    6）可靠性在电机寿命之内没有问题变频器的可靠性取决于两个方面，一是装置所用元器件的使用寿命，二是电路设计的合理性（主要包括工作原理和保护设计的合理性）。

    7）EMI零电磁辐射不产生干扰电磁兼容性是近年来电力电子设备设计时备受关注的问题。变频器的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果。电磁兼容性（ElectromagneTIc CompaTIbility－EMC）包含两个方面的内容，即电磁敏感性（ElectromagneTIc SuscepTIbility－EMS）和电磁干扰（Electromagnetic Interference－EMI），分别表示变频器抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。针对电磁兼容性的国际和国内标准很多，有些要求设备能够抵抗一定形式和强度的干扰，另一些要求设备产生的干扰强度不能超过一定值。一个EMC合格的产品应该能够同时满足这两方面的要求。

    变频器是一种能够产生较强宽频带电磁信号的设备，很有可能对其周边设备造成干扰。同时它又是一种比较容易受到干扰的设备，多数电子设备在受到干扰时仅表现为性能的劣化，而变频器，特别是大功率的变频器则不同，一定形式和程度的干扰甚至有可能造成变频器本身的严重损坏。因此，其电磁兼容性更应该引起充分重视。

4    降低功率器件开关损耗的途径

    传统的硬开关技术变频器在开关切换期间存在着一些问题，图1给出了现在常用的系统构成。图2给出了感性负载下，三相逆变器中U相桥臂功率器件在一个开关周期内典型的电流和电压工作波形。

图1    用于驱动三相交流电机的电压源三相逆变器系统一般构成

图2    一个开关周期内功率开关器件和反并联二极管上的电流和电压波形

    对于由两个功率开关S₁和S₄构成的一个逆变桥臂（S₁在上，S₄在下）来说，当S₄开通时，通过感性负载的电流将开始增加。当S₄被关断时，感性负载中的电流不可能立刻发生变化，它必须通过S₁上的反并联二极管D1进行续流。

    假设初始电流流过二极管D₁，当S₄开通时，负载电流将从D₁转移到S₄，遗憾的是，二极管D1不能立即从正向导通状态恢复到反向阻断状态，相反，在D₁恢复到能承受反向电压之前，D₁中有一个峰值很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流也要流过S₄。所以，此时流过S₄的电流是负载电流和D₁反向恢复电流之和。而且，此时S₄上的电压仍然为直流母线电压。这样，S₄开通时，将产生很大的开通损耗。而且将承受很大的电压和电流应力，如果这个应力超过其安全工作区的极限，功率开关器件将永久损坏。另外，当D₁开始承受反向电压时，反向电流减少到零的同时承受一个很高的电压和一个很大的反向电流，因此，反并联二极管也将产生很大的功耗。

    当S₄被关断时，负载电流转移到二极管D₁中，S₄两端的电压慢慢上升到直流母线电压，此时流过S₄的电流基本上等于负载电流；当S₄中的电流减小到零，此时它承受的还是直流母线电压。因此，在S₄关断期间也有一个较大的功率损耗。

    中等功率和大功率的电压源三相逆变器，常常用到诸如双极型晶体管（BJT），IGBT和门极可关断晶闸管（GTO）等，这是由于这些器件的电流和电压额定值要高于功率场效应晶体管（MOSFET）。然而，这些器件的开关特性相对较差，特别是在硬开关条件下的关断拖尾电流，将产生很大的开关损耗。另外一个开关损耗的来源是功率开关上反并联二极管的反向恢复电流，它将在硬开关条件下引起明显的开通损耗。

    近年来，高性能的IGBT已成为交流电机调速系统普遍选择的器件。图3给出了带反并联二极管的IGBT工作在占空比为50％时功率损耗的计算结果。可以看出，随着工作频率的增加，功率损耗迅速增大，这表明开关损耗比通态损耗更重要。

图3    IGBT和反并联二极管功能（直流母线电压400V，电机电流15A）

    另外，分析功率开关在各个工作期间的功率损耗也很有意义，图4给出了IGBT在通态，关断和开通等阶段的功率损耗及总功耗。应当指出，虽然在工作频率低于5kHz时，IGBT中的通态功率损耗是主要的，但当工作频率较高时开关功耗则变为主要的，更重要的一点是，开通功率损耗显然比关断功率损耗还大，这是因为，IGBT开通期间需要通过一个很大的反并联二极管的反向恢复电流。已经发现，能够减少开关功率器件关断时间的方法经常伴随着其在导通状态下压降的增加，这样也增加了开关功率器件的通态功率损耗。

图4    IGBT各个工作阶段的功耗（直流母线电压400V，电机电流15A）

    图5示出了功率器件开关期间的电压，电流和功率损耗示意图。在功率器件开通瞬间，器件中电流包括从零上升到负载电流，再加上二极管的反向恢复电流及寄生电容的充电电流。典型情况下，将出现峰值电流和极高的器件损耗峰值。在功率器件关断瞬间，器件两端的电压从零上升到直流母线电压，由于线路电感的存在，由Ldi/dt引起的电压冲击将超过直流母线电压，当然，这个冲击电压可以通过很好的电路设计和高频率的直流母线吸收电容来缩小。另外，关断损耗对于不同类型的功率器件有所不同，主要取决于关断延迟和电流下降时间。在不同类型的功率器件中，MOSFET的开关损耗最小，IGBT随着制造工艺和载流子的寿命的不同而有所不同，也有一些速度极高的IGBT具有很小的关断损耗,可以和MOSFET相媲美。一般情况下，由于BJT有一个较长的关断时间，所以也有比较高的开关损耗。

图5    硬开关条件下的器件开关波形

    在开关过程中存在的另外一个问题是器件上的电压变化率dv/dt。在开通时，器件电压下降为零；关断时，开关上的电压在上升到直流母线电压时有一个过冲，典型的开关器件开关时电压变化率>2000V/μs，如果考虑到门极驱动时的小电阻，可达到5000V/μs。器件两端的寄生电容典型值在2～10nF之间，这个值可以在实验室测量出来。通常情况下由于电压变化率和寄生电容之间的耦合影响，使得器件节点漏电流可以高达50A，这个耦合电容电流在开通时可能和线路电感之间产生振荡，从而导致EMI问题。

    在器件两端并联一个电容可明显地缩小器件的关断损耗和关断时的电压变化率，但是，从另外一个方面又明显地增加了器件的开通损耗。图6解释了器件两端并联电容时的开通情况。假定初始条件为负载电流从二极管D₂通过，当S₁开通，需要关断D₂，储存在电容C_r1中的能量将通过S₁在一个近似于零电阻通道进行放电。当D₂被关断后，电容C_r2将通过S₁由直流母线电压对其进行充电，也几乎是一个零电阻通路。二极管反向恢复电流和电容充放电电流典型情况下要远远大于负载电流，从而引起较大的开通损耗。图6(b)给出的波形说明了如果使用反向恢复速度较慢的二极管，则器件开通时的峰值电流将超过负载电流的20倍以上。

(a)    开通电路示意图    （b）    开通波形

图6    开关器件两端并接电容时开通电路示意及波形

    硬开关条件下，S₁的开通电流i_s1可以用式（1）来表示，

    i_s1=i_Load＋i_D2(rr)＋i_Cr1＋i_Cr2    （1）

式中：i_D2(rr)为二极管D₂的反向恢复电流。

    如此之高的开通电流导致器件的开通损耗和开关噪音大大增加，当主开关器件选用一般的MOSFET时，这种状况将变得更加糟糕。

    讨论了硬开关条件下变频器中存在的种种问题之后，采用软开关技术的变频器就是一种逻辑上较好的选择。

    1）可以缩小开关损耗功率器件并联电容可以明显地减小功率器件的关断损耗，如果能够解决功率器件开通时零电压问题，则会达到提高效率，更好利用器件，减小散热片和冷却器的体积的目的。

    2）可以减小开关时的电压变化率在软开关技术变频器中，通过增加谐振电感，和吸收电容构成谐振回路，在功率器件开通信号之前，使电容上的能量转移到谐振电感上，电容两端的电压（开关两端的电压）为零，使得功率器件在零电压下开通，避免在开关期间电容的充放电电流，避免电感电流通过负载，以减小和开关有关的EMI。

    3）可以大大提高开关频率软开关技术的实现，开关频率的提高，就能够避免音频噪音，减小转矩和电流的毛刺，提高响应速度。

5    结语

    对大功率谐振过渡软开关变频器的特点，存在问题，研究目标和所要实现的性能指标作了概括性的总结。在续文中，将深入介绍该类型软开关变频器的主电路和控制电路的设计。（待续）