基于软开关技术的PWM变频调速系统

2万 · 2013-12-26 20:12

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：

图1 ADRPI一条变换臂的拓扑结构图

2万 · 2013-12-26 20:13

（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Q2，iL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Vin，iL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Q1D2Q2D1，给所有开关器件提供了最优越的开关环境。在Q1、Q2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D1或D2停止导电后，Q1或Q2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D1、D2在通过其上的电流为零后自然关断。Q1、Q2的关断过程是在缓冲电容CC1、CC2的作用下完成的。在Q1、Q2关断的瞬间，其上电压为零，而后，其上的dv/dt将受到CC1、CC2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Dfw和Dc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。

2万 · 2013-12-26 20:13

　1引言

　　目前市场上的电力稳压器大多是采用伺服电机带动炭刷调整输出电压。它具有整机效率高、输出波形好及电路简单等优点，但由于有炭刷和机械传动造成其工作寿命短、响应速度慢。用“无触点”取代“炭刷”是目前大功率电力稳压器的发展方向。这里所说的“无触点”是指采用如双向晶闸管之类的功率器件代替炭刷，利用微电脑实现逻辑控制通过补偿变压器进行调压，从而达到延长使用寿命、加快响应速度、提高可靠性的目的。

　　2系统基本原理

　　稳压器主要由主电路、单片机、检测电路、控制电路、驱动及报警接口电路等单元构成。如图1所示。

图1稳压原理图

　　图中各电压有如下关系：由图1可知，微电脑通过电压采样电路检测并计算出需要补偿的电压△U，由驱动系统改变双向晶闸管导通组合来补偿输入电压（Ui），使稳压器的输出电压（Uo）保持稳定，从而达到稳压的目的（工作原理见参考文献1）。为使操作简单易行，充分利用微电脑的功能，设置了完善的自检系统。

　　3几个问题的讨论

　　3.1变压器的投入问题

　　与文献2相比，变压器投入造成合闸饱和所形成的浪涌电流较大。为减小铁心体积，一般变压器的工作磁感应强度Bm选在B－H曲线接近拐点处，合闸瞬间最坏情况是磁感应强度最大为2Bm＋Br（剩磁），显然变压器将出现饱和，造成晶闸管损坏和电压波形的畸变。为防止合闸瞬间饱和，可选择Bm≤Bs/3。

　　3.2触发驱动问题

　　晶闸管作为电流控制器件，当触发脉冲的持续时间较小时，脉冲幅度必须相应增加。同时，脉冲宽度也取决于阳极电流达到擎住电流的时间。在本系统中，由于感性负载的存在，阳极电流上升率较低，若不施加较强的宽脉冲触发，则晶闸管往往不能维持导通状态。考虑负载是感性的，本系统采用电平触发，其缺点是晶闸管损耗较大。

2万 · 2013-12-26 20:13

　3.3晶闸管阻断问题

　　晶闸管是一种雪崩式器件，这种器件的导通是由于在中间集电结上载流子的成倍增加引起的，在应用过程中，影响关断时间的因素有结温、通态电流及其下降率、反向恢复电流下降率、反向电压及正向dv/dt值等。其中以结温及反向电压影响最大。结温愈高，关断时间愈长；反压越高，关断时间愈短。

　　在系统中，由于感性负载的存在，在换流过程中，电感两端会产生很高的反电动势，这个异常电压加在晶闸管两端，容易引起晶闸管损坏。为防止这种情况，通常应采用浪涌电压吸收电路。

　　3.4dv/dt、di/dt效应问题

　　晶闸管的断态电压上升率dv/dt较大的时候，有可能在比它的正向转折电压低得很多的电压下导通。如果电路上的dv/dt超过器件允许的dv/dt值时，晶闸管就会误导通而失去阻断能力。在应用电路中，将晶闸管的门极通过电阻与阴极相连，从外部将位移电流旁路掉，以防止dv/dt引起的误导通。

　　di/dt过大容易造成晶闸管击穿，在电路中，采用前沿陡峻的强电平触发以增大初始导通面积，进而改善di/dt容量。

　　由于dv/dt较大引起的误触发和di/dt过大引起的晶闸管击穿现象，其后果是十分严重的。从图1可以看出，这种情况的出现会导致直通现象，造成晶闸管的损坏甚至损坏变压器。在电路设计中，采用可靠的晶闸管通断检测及限流措施，可以避免这种故障的发生。

　　3.5过电压及过电流保护措施

　　过电压的产生，主要有以下原因：

　　（1）变压器投入时的浪涌电压；

　　（2）变压器抽头转换时产生的浪涌电压；

　　（3）雷电侵入时的浪涌电压；

　　（4）直流回路断路时产生的浪涌电压。

2万 · 2013-12-26 20:14

　在电路中，加入浪涌吸收器可以吸收变压器一次系统电磁转移而侵入的浪涌电压，同时还能吸收变压器通断时产生的变压器磁能。为避免雷电侵入时产生的浪涌电压，可采用半导体避雷器。

　　在系统中，为避免误触发引起的直通现象，可以采用如下技术措施：

　　（1）确保晶闸管的触发信号可靠。利用软件滤波程序使输出触发信号每组只有一个有效，再利用74LS273和防环流逻辑电路（PAL16V8），以确保即使在单片机失控的情况下也不会出现误触发。另外，触发信号引线采用屏蔽线及其它抗干扰措施，以防止误触发现象的产生。

　　(2)确保换向可靠。在正常工作时，往往要改变补偿电压的大小，即调整晶闸管的导通组合。如果换向的时机或者组合不当就会形成直通而损坏晶闸管。在设计中采用过零点切换技术，最关键的是准确检测晶闸管的工作状态。为此，采取软、硬件结合和互锁技术，确保开关工作准确无误。实际运行结果表明上述技术是可行的。

　　3.6感性负载的影响

　　由于感性负载的存在，应考虑加大触发脉冲宽度，否则晶闸管在阳极电流达到擎住电流之前，触发信号减弱，造成晶闸管不能正常导通。在关断时，感性负载也会给晶闸管造成一些问题。

　　在实际系统中，采用电平触发，以确保晶闸管可靠导通。

　　3.7过零开关技术

　　在调压过程中，通过过零检测而产生的信号来控制晶闸管门极触发信号，保证其过零通断，从而避免了在调压过程中，由于晶闸管通断对电网造成的污染。

　　由于采用了上述一系列措施，使这种电源在技术上是十分成熟的。

基于软开关技术的PWM变频调速系统

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