軟開關逆變器在電動汽車中的應用

　　1 引言

　　電動汽車的發展是節約石油資源及減少大氣污染的重要途徑。電動汽車的能源效率高于傳統的內燃機汽車，可以利用再生回饋制動有效回收制動減速及下坡時的能量，適宜城市復雜工況。由于電力可以由煤炭、水力、核能、太陽能、風力等一次能源轉化得到，電動汽車的大量應用可有效減少對石油的過度依賴。夜間集中給蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網均衡負荷[1]。

　　電動汽車包括純電動汽車、混和動力汽車及燃料電池汽車，均需要電機及其驅動控制系統提供汽車動力。盡管出于系統簡單性和控制器成本的考慮，目前還有一些簡單的電動汽車選用直流電機作為驅動電機，但基于交流驅動系統的固有優勢，直流驅動系統正逐步被淘汰[1][2][4]。

　　逆變器是交流驅動系統中直流供電向交流驅動轉換的功率變換環節。電動汽車所用逆變器需要滿足很高要求：高功率密度，高效率，易于冷卻，低噪聲，符合電磁兼容性(emc)標準，安全可靠等等。因此，包括軟開關在內的許多新型電力電子技術被研究以期應用于電動汽車[2][3]。

　　2 軟開關逆變器

　　功率開關器件及其構成的電路中都存在寄生參數，且開關切換不可能瞬間完成。這就會導致硬開關存在下述問題：開關損耗大，且與開關頻率成比例增長;dv/dt以及di/dt大，由此產生的電壓及電流尖峰會超出開關器件的安全工作區，威脅器件的安全;高的dv/dt及di/dt還會帶來嚴重的電磁干擾[7]。

　　軟開關技術能有效改善這些問題：在電壓或電流過零時實現開關狀態切換而達到理論上的零開關損耗。

　　軟開關技術在逆變器中的應用最早引起廣泛關注的是美國wisconsin大學的divan在80年代末提出的諧振直流環節逆變器(rdcl)，僅增加一個電感和電容就可以使得逆變器的開關頻率提高一個數量級，其主回路拓撲結構如圖1所示[5]。

　　圖1 rdcl電路拓撲

　　近年來，各國學者們提出了更多具備不同特性的軟開關逆變器拓撲結構。按照輔助電路所處位置，現有的軟開關逆變器電路拓撲結構大致可以分為直流側和交流側兩類。其中，直流側軟開關逆變器大致分為：諧振直流環節逆變器(rdcl)，準諧振直流環節逆變器(qrdcl)，直流母線零電壓過渡逆變器(dc-railzvt)和直流母線零電流過渡逆變器(dc-rail zct)。交流側則可以分為：零電壓逆變器(zvt)和零電流逆變器(zct)。

　　2.1 直流側軟開關逆變器

　　(1) 諧振直流環節逆變器(rdcl)

　　這種方案是通過“軟化”直流母線電壓為功率器件的開關切換創造過零狀態[5]。缺點在于：諧振電壓的峰值很高，增加了功率器件的電壓應力;電壓過零點與逆變器開關策略不同步，只能采用離散pwm控制(dpwm)，由此產生了大量的輸出諧波。近年來也有一些改進方案通過增加一個或兩個輔助開關來改善上述問題，使得電壓應力降低近一倍，但也會增加額外的器件體積和費用。

　　(2) 準諧振直流環節逆變器(qrdcl)

　　qrdcl能夠減小器件的電壓應力和應用常規pwm控制[6]。其優點是：電壓開關應力不會超過直流母線電壓;功率器件的開關點可以選擇在任意時刻，很容易應用常規pwm控制策略。其典型拓撲結構如圖2所示。缺點是其輔助開關結構和控制都比較復雜。

　　圖2 qrdcl電路拓撲

　　(3) 直流母線零電壓過渡逆變器(dc-rail zvt)

　　dc-rail zvt需要的開關器件較少，如圖3所示[7]。但由于功率器件串在直流母線中，因此導通損耗較大。

　　圖3 dc-rail zvt電路拓撲

　　(4) 直流母線零電流過渡逆變器(dc-rail zct)

　　dc-rail zct采用兩個輔助開關來減小主開關器件的關斷損耗，如圖4所示[8]。但串接在直流母線中的輔助開關會在大電流的情況下發生關斷，引起較大的導通損耗和關斷損耗。此外，每個主開關器件都串接了一個諧振電感，這會導致零電流關斷失敗時器件承受較大的開關應力。

　　圖4 dc-rail zct電路拓撲

　　2.2 交流側軟開關逆變器

　　交流側軟開關逆變器的輔助開關不在能量流動的主要通道，導通損耗得到了減小，因此大功率應用場合通常會采用這種軟開關技術。其中，zvt可以采用六個或更少的輔助開關，而目前已有的zct方案通常采用六個輔助開關。

　　(1) 零電壓逆變器(zvt)

　　文獻[9]提出的拓撲結構(arcp)實現了主開關器件的零電壓導通和輔助開關的零電流關斷，同時緩沖電容降低了功率器件的關斷損耗，如圖5所示。但這種方法需要直流母線提供一個中點電位，會引起平衡充電的問題，也會使得某些pwm方法無法應用。而且，由于每相的輔助開關都是背靠背形式，無法為諧振電感提供至直流母線的電流回饋通道，為正常工作，必須提供額外的保護電路。

　　文獻[10]提出的拓撲結構避免了上述問題，如圖6所示。但這種拓撲需要耦合電感，體積笨重，設計困難，難以應用在大功率場合。

　　此外，文獻[11]和[12]等還提出了采用一個或兩個輔助開關器件的簡化拓撲結構。為了給主開關器件提供軟開關條件，這些zvt解決方案需要主開關器件的同步開通。

　　(2) 零電流逆變器(zct)

　　二極管反向恢復及關斷損耗是igbt、gto、igct等開關損耗的主要來源。zvt必須借助較大的緩沖電容減小這類損耗(見圖7)。但當緩沖電容太大的時候，其儲存的能量會引起額外的開通損耗。而zct可以不通過緩沖電容等無源器件來減小開關損耗，其特點主要是：當相對的主開關器件開通的時候，主二極管中仍會保持一定的電流;主開關器件的開通發生在滿額直流電壓下;諧振電容應力較大。為滿足大功率應用的要求，近來還出現了兆瓦級的多電平軟開關逆變器[15][16]，提供更高的電壓輸出能力和較小的電壓畸變。

　　圖7 zct電路拓撲

　　3 軟開關逆變器與電動汽車

　　電動汽車在電機及其驅動控制器的效率、噪聲、電磁干擾(emi)等方面有嚴格要求。傳統逆變器采用硬開關技術，開關損耗較大，電磁干擾較強。因此，一些研究者開始在電動汽車中嘗試采用軟開關逆變器。

　　j.s. lai在1996年提出了一種應用于電動汽車的諧振緩沖器軟開關逆變器。其單相拓撲如圖8所示。它通過輔助開關和諧振電感為主開關器件提供零電壓開關條件，且輔助開關電路的體積較小，逆變器的效率得到了較大提升，降低了dv/dt和emi。

　　圖8 諧振緩沖器軟開關逆變器單相拓撲

　　美國texas a&m大學的m.ehsani等肯定了軟開關技術在減小開關應力以及降低開關損耗方面的優勢。但同時認為軟開關逆變器需要有源及無源器件構成輔助電路，增加了系統的成本和復雜性，降低了系統可靠性。因此建議考慮建立一個合理的軟開關技術在電動汽車中應用的綜合評價體系。

　　文獻[18]針對不同的驅動電機和循環工況(城市工況及高速公路工況)進行了分析。結果表明，若僅僅從效率角度考察，由于混和動力汽車的能量有燃油補充，開關損耗帶來的能量損失與軟開關逆變器增加的復雜性相比是微不足道的。

　　美國vpec的研究小組對用于電動汽車的不同拓撲結構的軟開關逆變技術進行了廣泛深入研究。

　　文獻[19]提出為改善電機電流波形和減小濾波裝置的體積，應當增加逆變器的開關頻率。而這樣做所帶來的開關損耗可以通過采用軟開關技術來解決，并給出了仿真結果。

　　文獻[20]對五種類型的負載側軟開關逆變器進行了研究，并對軟開關逆變器的效率進行了建模仿真。結果表明zvtsi和zvtss會引發主功率器件額外的關斷損耗和輔助器件的非零電流開關而導致效率較低。而arcp、zct和zvtci同傳統逆變器相比具有較高效率。

　　文獻[21]介紹了其所研制的三種不同拓撲結構的50kw軟開關逆變器和實驗樣機：采用六個輔助功率器件的zct，arcpzvt以及采用三個輔助功率器件的zct。通過大量實驗同傳統硬開關逆變器在效率、體積、emi、成本等許多方面進行了比較，如附表及圖9所示。結果表明，在600v電壓等級的功率器件和20khz以下的開關頻率時，軟開關逆變器并未在效率方面體現出明顯優勢，而且僅有arcpzvt明顯降低了傳導emi。考慮到這些軟開關逆變器都需增加較大的體積和費用，軟開關技術并沒有明顯的綜合性能優勢。

　　圖9 三種不同拓撲結構軟開關逆變器的效率比較

　　4 結束語

　　總體來看，由于電動汽車的電機驅動系統功率較大，同時對逆變器的體積、重量、成本等方面有著苛刻要求，功率器件的選擇范圍和開關頻率也有著一定的限制。因此，基于目前的技術水平，軟開關逆變器同傳統逆變器相比并未在電動汽車的應用中獲得明顯的綜合優勢。但軟開關逆變器在減小功率器件應力以及減小系統emi方面確實有著難以替代的作用。輔助開關電路簡單，體積較小的軟開關逆變器會在今后得到更大的關注。

　　隨著包括碳化硅(sic)在內的新型功率器件水平的提高及軟開關技術的不斷發展，軟開關逆變器在裝置體積、成本及系統可靠性方面一定會取得較大突破，從而在電動汽車的應用中占據應有的位置。

　　與此同時，軟開關技術在電動汽車中的dc/dc、地面充電機等功率較小或體積重量要求不嚴格的裝置中有著良好的應用前景，并且已經出現了相關的研究成果。