大功率諧振過渡軟開關(guān)技術(shù)變頻器研究

1 前言

與主電路不同，控制電路主要處理控制信號(hào)，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關(guān)功率器件的正常工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴(yán)重后果，使整個(gè)變頻器停止工作或損壞。變頻器的所有功能，如輸出頻率，過壓、過流保護(hù)，各種輸出功能及零電壓過渡條件的產(chǎn)生均與控制電路有關(guān)。因此，控制電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)變頻器的性能至關(guān)重要，應(yīng)該作為設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。同時(shí)控制電路功能眾多，相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)的內(nèi)容也比較復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，甚至可能出現(xiàn)反復(fù)，有時(shí)一些參數(shù)的確定還需要通過實(shí)驗(yàn)來得到。

考慮到變頻器的通用功能設(shè)計(jì)已經(jīng)是非常成熟的東西，在本文的討論中，主要描述和軟開關(guān)技術(shù)相關(guān)的控制電路設(shè)計(jì)。

2 諧振環(huán)節(jié)輔助開關(guān)的控制原理

為了能夠更加清楚地說明諧振環(huán)節(jié)輔助開關(guān)的控制原理，我們對(duì)所選擇的軟開關(guān)電路的工作過程做一簡(jiǎn)單的說明。

圖1，圖2分別給出了本文所要討論的諧振極零電壓過渡三相逆變器電路的單相全橋的等效電路和工作原理波形。

圖1 單相全橋等效逆變電路

圖2 單相等效電路ZVT工作的原理波形

極諧振零電壓過渡的基本工作原理可以說明如下：假定電路開始工作時(shí)，負(fù)載電流的方向如圖1中所示（為正），并且開關(guān)S₃，S₄處于開通狀態(tài)，二極管D₃，D₄正在續(xù)流。在關(guān)斷開關(guān)S₃，S₄之前，先在零電流條件下開通輔助開關(guān)S_r3，S_r4，諧振回路中的諧振電感開始儲(chǔ)存能量，即電感電流從零上升至予置電流（該予置電流大于負(fù)載電流），此時(shí)關(guān)斷開關(guān)S₃，S₄，由于開通死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，開關(guān)S₁，S₆還沒有開通，諧振電容C_r1，C_r6和諧振電感Lr之間構(gòu)成了諧振回路，諧振的結(jié)果是，電容C_r1，C_r6通過電感L_r釋放能量，同時(shí)，電容C_r3，C_r4儲(chǔ)存能量至母線電壓，二極管D₁，D₆導(dǎo)通，為開關(guān)S₁，S₆創(chuàng)造一個(gè)零電壓開通條件，輔助開關(guān)S_r3，S_r4在零電流條件下關(guān)斷，從而完成一次主開關(guān)的ZVT過程。

從前面對(duì)諧振極零電壓過渡過程的分析可以知道，要實(shí)現(xiàn)該電路正確的ZVT過程，下面的幾點(diǎn)是關(guān)鍵的：

1）諧振電感中能量的予儲(chǔ)存，即主功率器件關(guān)斷之前，輔助電路中開關(guān)的提前開通，且提前量（時(shí)間）應(yīng)該和負(fù)載電流相關(guān)；

2）輔助電路中開關(guān)的開通選擇（順序）應(yīng)該和主功率器件的ZVT順序相關(guān)；

3）主功率器件的的延遲開通（傳統(tǒng)逆變器中稱之為死區(qū)時(shí)間）是必不可少的，且該時(shí)間的大小與諧振過程中諧振電容的充放電時(shí)間有著重要的關(guān)系；

4）諧振電感中能量予儲(chǔ)存的大小應(yīng)該滿足諧振和電容的充放電要求。

由此得出輔助電路控制有兩種可能的實(shí)現(xiàn)方案：一種方案是固定時(shí)間控制，其原理是，在每個(gè)逆變橋開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變之前，用一個(gè)固定的時(shí)間來為諧振電感儲(chǔ)存能量；另外一種方案是變時(shí)間控制，其基本原理是，使諧振電感的儲(chǔ)存能量時(shí)間隨負(fù)載電流的改變而改變。

固定時(shí)間控制最大的優(yōu)點(diǎn)是控制過程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是，它會(huì)由于增加不必要的諧振峰值電流，延長(zhǎng)輔助開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，從而降低逆變器的效率。而變時(shí)間控制雖然克服了上述缺點(diǎn)，但需要檢測(cè)相電流的值，控制過程較為復(fù)雜，且增加了硬件的成本。

由上面的分析可以看出，輔助開關(guān)的提前開通，諧振電感的能量?jī)?chǔ)存是諧振過程正確發(fā)生的基本條件。

在諧振電感的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)給出了輔助開關(guān)的提前開通時(shí)間t_cm為

t_cm=

式中：E為電源電壓。

諧振周期T_r可以表示為

T_r=π

式中：C_r為電路諧振時(shí)的等效電容。

諧振電感中電流的下降時(shí)間和上升時(shí)間大約相等，即：t_d=t_c=2μs。

輔助開關(guān)的總開通時(shí)間t_sr可以表示為

t_sr=t_c＋T_r＋t_d=＋π<5μs

所以，一旦諧振電感和電容確定之后，對(duì)應(yīng)于逆變橋三相橋臂的每組兩個(gè)輔助開關(guān)的開通時(shí)間是固定的。

從前面的分析可以看出，如果預(yù)置電流I_x隨相電流的變化而變化，則t_sr也將成為相電流的函數(shù)，而變化的t_sr將使得控制的實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜，所以應(yīng)該在最大負(fù)載電流條件下，選擇一個(gè)固定的預(yù)置電流I_x和t_sr。當(dāng)然在輕負(fù)載條件時(shí)，諧振電感中所儲(chǔ)存的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振時(shí)需要的能量。

3 軟開關(guān)變頻器的控制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

從前面的分析中可以比較容易地得出軟開關(guān)技術(shù)變頻器控制器的設(shè)計(jì)原則。

1）軟開關(guān)技術(shù)變頻器首先要完成變頻器的所有功能，故對(duì)于三相逆變橋中6個(gè)開關(guān)功率器件的控制（包含了傳統(tǒng)硬開關(guān)技術(shù)變頻器的所有功能的控制），采用傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)變頻器中的微處理器（DSP）構(gòu)成的控制板，并采用已有的控制程序，在此不在贅述。

2）關(guān)于諧振網(wǎng)絡(luò)中輔助開關(guān)的控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，考慮兩種方案：第一，由邏輯器件IC構(gòu)成一個(gè)專用的控制板；第二，在傳統(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)變頻器控制板中，增加相應(yīng)的硬件電路（主要是用來控制三個(gè)輔助開關(guān)的PWM接口），并在軟件設(shè)計(jì)中完成相應(yīng)的邏輯。

無論怎樣，針對(duì)輔助開關(guān)而設(shè)計(jì)的控制器都要完成以下的邏輯功能。

（1）輔助開關(guān)的提前開通功能。所謂輔助開關(guān)的提前開通是指輔助開關(guān)要提前于相應(yīng)的主開關(guān)功率器件關(guān)斷之前開通，具體這樣解釋，當(dāng)需要給某個(gè)主開關(guān)創(chuàng)造零電壓開通條件時(shí)，因?yàn)椋撝鏖_關(guān)的開通信號(hào)要比它對(duì)應(yīng)的橋臂上的另一個(gè)主開關(guān)的關(guān)斷信號(hào)延遲一個(gè)死區(qū)時(shí)間，所以，輔助開關(guān)要在另一個(gè)主開關(guān)的關(guān)斷信號(hào)到來之前開通，以便使得母線電壓能夠加在諧振電感的兩端，給諧振電感上預(yù)置能量，當(dāng)要關(guān)斷的主開關(guān)關(guān)斷之后，要開通的主開關(guān)沒有開通之前的這段時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）內(nèi)，電感和并接在主開關(guān)功率器件上的電容進(jìn)行諧振。

（2）上面已經(jīng)指出，一旦諧振電感和電容確定之后，對(duì)應(yīng)于逆變橋三相橋臂的每組兩個(gè)輔助開關(guān)的開通時(shí)間是固定的。所以，輔助開關(guān)控制器還要完成輔助開關(guān)在開通后的一定時(shí)間內(nèi)再關(guān)斷功能。

圖3給出了用IC電路實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)控制的邏輯實(shí)現(xiàn)圖。圖4給出作者設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)際的用IC器件實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)控制的邏輯電路實(shí)例照片。當(dāng)然，IC電路部分還可以用CPU來實(shí)現(xiàn)。

圖3 輔助開關(guān)控制的邏輯實(shí)現(xiàn)圖

圖4 用IC電路實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)控制的實(shí)際電路

4 開關(guān)功率器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口，在大功率變頻器的設(shè)計(jì)中，由于開關(guān)功率器件容量較大，因此，需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，而且，由于主電路中干擾信號(hào)很強(qiáng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路抗干擾和隔離噪聲的能力也有較高的要求。對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一般要求如下。

1）關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)電壓 IGBT開通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)足以使IGBT完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)，也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在12～20V之間。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極—發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反向偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在－5V～－15V之間。

2）柵極串聯(lián)電阻（R_g） 選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的，因此，柵極電阻值將對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導(dǎo)通），但與此同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極—發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。

3）柵極驅(qū)動(dòng)功率 IGBT的開關(guān)要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、正偏置電壓的差值ΔV_GE，柵極總電荷Q_G和工作頻率f_s的影響。柵極電源的最大峰值電流I_GPK為

I_GPK=±

柵極電源的平均功率P_AV為

P_AV=ΔV_GE×Q_G×f_s

另外，在大功率變頻器IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面的問題：

（1）布線必須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和IGBT之間的寄生電感減至最低。這相當(dāng)于將驅(qū)動(dòng)器和IGBT之間連線所包圍的環(huán)路面積減至最小。為此，一般情況下，將把驅(qū)動(dòng)電路直接放置在大功率的開關(guān)功率器件上。

（2）必須正確放置柵極驅(qū)動(dòng)板和屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。

（3）柵極箝位保護(hù)電路也必須按低電感布線，并盡量放置于IGBT模塊的柵極—發(fā)射極控制端子附近。

（4）由于IGBT的開通和關(guān)斷會(huì)使相互電位改變，PCB板的線條之間不宜太過于接近。過高的dv/dt會(huì)由寄生電容耦合噪聲，假如在布線時(shí)無法避免線條交叉或平行，必須采用屏蔽層以作保護(hù)。

（5）對(duì)于逆變橋上橋臂的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電路之間，下橋臂的柵極驅(qū)動(dòng)電路之間和控制電路之間的寄生電容可產(chǎn)生耦合噪聲的問題，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量，減低這些寄生電容。

（6）假如使用光耦合器用作隔離高邊柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其最小共模抑制比必須為10V/μs。

圖5給出了作者設(shè)計(jì)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)板（包括開關(guān)電源）的實(shí)例照片。

圖5 實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際電路

5 結(jié)語

本文對(duì)大功率諧振過渡軟開關(guān)變頻器，在進(jìn)行控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮的一些問題和其所要遵循的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了深入的討論，通過連續(xù)的幾篇文章，介紹了諧振過渡軟開關(guān)技術(shù)逆變器的設(shè)計(jì)原則和具體方法，相信通過我們的努力，一定會(huì)使這種新型的變頻器，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。