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在三相pwm逆變器主電路中的每一個功率開關(guān)器件上都并聯(lián)有一個緩沖電容，因為電容電壓不能突變，所以功率開關(guān)器件在任何時候都是以零電壓(zvs)方式關(guān)斷。因此要實現(xiàn)逆變器主電路所有功率開關(guān)器件的軟開關(guān)動作，只要能使逆變器主電路的所有功率開關(guān)器件實現(xiàn)零電壓軟開通即可。如果采用傳統(tǒng)的如圖2所示的三角載波，顯然逆變器主電路的功率開關(guān)器件的開通時間t1,t2,t3不在同一時刻。如果只采用單斜率鋸齒載波調(diào)制方式，在零矢量(000)和(111)狀態(tài)下逆變器主電路的能量與輔助諧振電路不發(fā)生能量交換,如圖3和圖4所示，同樣不滿足諧振條件，使諧振不能正常進(jìn)行。因此采用斜率隨逆變器的輸出電流極性交替改變的正負(fù)斜率鋸齒載波，即當(dāng)逆變器的輸出電流極性為正時采用正斜率鋸齒載波，而輸出電流極性為負(fù)時采用負(fù)斜率鋸齒載波。通過這種調(diào)制方式，三相pwm逆變器主電路中所有功率開關(guān)器件需要進(jìn)行zvs軟開通的開通動作都能集中到鋸齒載波的垂直沿處。在這個時刻，啟動逆變器的輔助諧振換流電路，就可同時使所有功率開關(guān)器件以零電壓方式開通。既不存在000矢量狀態(tài)，也不存在111矢量狀態(tài)。從而避開了在需要零電壓開關(guān)切換時電機(jī)與直流側(cè)電壓之間不發(fā)生能量交換，無法產(chǎn)生諧振的情況。

圖2 三角載波調(diào)制

圖3 零矢量(000)下的換流電路

圖4 零矢量(111)下的換流電路

在分析這種軟開關(guān)三相pwm工作原理時先規(guī)定如下前提條件:三相電壓分別為eu>0，ev<0，ew<0，而三相電流分別為iu>0，iv<0，iw<0。圖5為這種模式下的軟開關(guān)動作時序圖。載波es和參考電壓vaux、三相調(diào)制波eu、ev、ew比較，生成換流開關(guān)v和逆變器上6個功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號(參考電壓vaux的生成方法后面第3部分有詳細(xì)的闡述)。

圖5 軟開關(guān)動作時序

在鋸齒載波垂直沿前，u相上橋臂功率開關(guān)器件v1關(guān)斷，下橋臂功率開關(guān)器件v2開通，v相和w相上橋臂功率開關(guān)器件v3和v5開通，下橋臂功率開關(guān)器件v4和v6關(guān)斷，即此時的空間電壓矢量為011狀態(tài);在鋸齒波垂直沿后，u相上橋臂功率開關(guān)器件v1開通，下橋臂功率開關(guān)器件v2關(guān)斷，v相和w相上橋臂功率開關(guān)器件v3和v5關(guān)斷，下橋臂功率開關(guān)器件v4和v6開通，即此時的空間電壓矢量為100狀態(tài)。從圖2可看出，空間電壓矢量011轉(zhuǎn)換到100時，逆變器的功率開關(guān)器件的開通動作全部集中到鋸齒載波的垂直沿附近，所以在此處啟動諧振換流電路，就能實現(xiàn)逆變器功率開關(guān)器件的軟開關(guān)導(dǎo)通動作。圖6為逆變器軟開關(guān)動作的工作模式，共分為11個模式。

圖6 軟開關(guān)動作模式

(1) 模式1(~gv=on)
在載波垂直沿前，逆變器處在011狀態(tài)，由三相電壓和電流的狀態(tài)可知，雖然功率開關(guān)器件v2、v3、v5是導(dǎo)通狀態(tài)，但各相電流是流過續(xù)流二極管vd2、vd3、vd5。此時端子u、v、w的電位vu、vv、vw分別是gnd、ed、ed。
(2) 模式2(gv=on~g3和g5=off)
該模式為換流電感充電模式。換流開關(guān)v開通，此時相當(dāng)于把電機(jī)的三個繞組通過諧振電感短接起來，則原來通過續(xù)流二極管續(xù)流的電流很快轉(zhuǎn)移到諧振電感上。此時電路的回路為電流從端子v、w經(jīng)lb、lc、d3、d5、v、d2、la到端子u。由于di/dt被換流電感l(wèi)a、lb、lc抑制，換流電感l(wèi)a、lb、lc上的電流ila、ilb、ilc線性增加。顯然換流開關(guān)v的開通是零電流軟開通。在模式2中，換流電感l(wèi)a上的電流等于換流電感l(wèi)b和lc上的電流之和。隨著ila、ilb、ilc的增大，續(xù)流二極管vd2、vd3和vd5上的續(xù)流電流相應(yīng)減小。直到相電流較小的兩相的換流諧振電感l(wèi)b和lc的電流分別等于各相的負(fù)載電流時，續(xù)流二極管vd3和vd5由于續(xù)流電流減小到零而關(guān)斷。之后，換流諧振電感l(wèi)b和lc上的電流分別會超過v相和w相的負(fù)載電流，電感l(wèi)b和lc上的電流就由續(xù)流二極管vd3和vd5切換到功率開關(guān)器件v3和v5上。直到換流諧振電感l(wèi)a上的電流與u相負(fù)載電流相等，vd2也因其續(xù)流電流減小到零而關(guān)斷。此時充電模式結(jié)束，將進(jìn)入下一模式。在系統(tǒng)控制時，通常把模式2結(jié)束時刻控制在鋸齒載波的垂直沿處。當(dāng)ila=iu時，vd2、vd3、vd5分別零電流關(guān)斷，通常把該時刻控制在鋸齒載波的垂直沿(即t2)處。
模式2的作用是給換流諧振電感充電，圖7所示為該模式的等效電路和簡化等效電路。圖中，換流諧振電感的參數(shù)是la=lb=lc=l。
對圖7所示的簡化等效電路用拉普拉氏變換求解iv(s)如下:

圖7 模式2的等效電路

通過拉普拉氏反變換得:

(1)
式中:ed為直流母線電壓，l為一個換流諧振電感的電感量。
設(shè)模式2的起始時刻為t1，經(jīng)過δt2時間后到達(dá)結(jié)束時刻t2，充電模式結(jié)束。其中換流功率開關(guān)器件v的電流在t1時刻為iv(t1)=0，在t2時刻iv(t2)=iu。代入式(1)即可求出模式2的時間δt2，如下所示:

(2)
式中:iu為此時的最大負(fù)載電流，所以式(2)可改寫為

(3)
(3) 模式3(g3和g5=off~gv1=on):諧振模式
在t2時刻關(guān)斷功率開關(guān)器件v2、v3和v5后，進(jìn)入死區(qū)時間td，此時三相pwm逆變器主電路中所有的功率開關(guān)器件均為關(guān)斷狀態(tài)，6個緩沖電容與3個換流諧振電感進(jìn)行諧振，換流電流路徑有兩條:緩沖電容c1經(jīng)c3和c5、換流諧振電感l(wèi)b和lc、二極管d3和d5、換流功率開關(guān)器件v、d2、la到c1，完成c1放電、c3和c5充電;另一條是緩沖電容c4和c6經(jīng)lb和lc、d3和d5、v、d2、la、c2到c4和c6，完成c4和c6放電、c5充電(如圖6中模式3所示)。當(dāng)換流結(jié)束到t3時刻時，緩沖電容c1、c4和c6的端電壓降到零，模式3結(jié)束。此時開通三相逆變器主電路中的功率開關(guān)器件v1、v4和v6，可見這3個功率開關(guān)器件都是以零電壓方式進(jìn)行開通，實現(xiàn)了zvs軟開通。
(4) 模式4(gv1=on~gv=off)
該模式為換流諧振電感放電模式。在t3時刻，開通三相pwm逆變器主電路中的功率開關(guān)器件v1、v4和v6，這些功率開關(guān)器件上的電流就開始增長，而換流諧振電感電流則開始減小。當(dāng)電感電流在t4時刻減小到零時，換流功率開關(guān)器件v關(guān)斷，由此可見換流功率開關(guān)器件v的關(guān)斷是以零電流(zcs)方式關(guān)斷的。
在該模式中由于逆變器主電路中的功率開關(guān)器件v1、v4和v6開通，換流諧振電感上所加的直流電壓方向反向，所以換流諧振電感電流開始減小，直到等零時，模式4結(jié)束。模式4的起始時刻為t3，經(jīng)過δt4時間后到達(dá)結(jié)束時刻t4，換流諧振電感放電模式結(jié)束。
(5) 模式5(gv=off~gv4=off)
在t4時刻，換流功率開關(guān)器件v關(guān)斷后，進(jìn)入模式5，電動機(jī)由直流電源ed供電，直到t5時刻逆變器主電路v相下橋臂功率開關(guān)器件v4關(guān)斷。功率開關(guān)器件v4上并聯(lián)有緩沖電容c4，由于電容電壓不能突變，抑制了端電壓的變化(dv/dt)，所以功率開關(guān)器件v4的關(guān)斷是以零電壓(zvs)方式關(guān)斷。
(6) 模式6(gv4=off~gv3=on)
功率開關(guān)器件v4關(guān)斷后，進(jìn)入v相的死區(qū)時間，此時緩沖電容c4由直流電源ed經(jīng)v1和電動機(jī)進(jìn)行充電，由于在一個載波周期中可以認(rèn)為母線電壓為恒定值，緩沖電容c4的電壓上升導(dǎo)致c3，和c4的電壓和上升，要維持母線電壓不變，緩沖電容c3只能經(jīng)功率開關(guān)器件v1和電動機(jī)放電，當(dāng)緩沖電容c3放電到零時，續(xù)流二極管vd3受正向電壓導(dǎo)通。此時控制功率開關(guān)器件v3開通，因為續(xù)流二極管vd3導(dǎo)通，所以功率開關(guān)器件v3兩端的電壓為續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，可認(rèn)為是以零電壓方式開通的。
(7) 模式7(gv3=on~gv6=off)
v3開通后，電動機(jī)進(jìn)入模式7運(yùn)行，直到t7時刻w相下橋臂功率開關(guān)器件v6關(guān)斷。與模式5同理，由于功率開關(guān)器件v6上也并聯(lián)有緩沖電容c6，所以也是以零電壓方式關(guān)斷。
(8) 模式8(gv6=off~gv5=on)
v6關(guān)斷后，與模式7進(jìn)行相同的換流過程，直到v5開通，模式8結(jié)束，完成w相的換流過程。與模式6同理，功率開關(guān)器件v5也是以零電壓方式開通。
(9) 模式9(gv5=on~gv1=off)
其動態(tài)過程與模式7相同，完成u相上下橋臂功率開關(guān)器件的切換，同理是以零電壓方式進(jìn)行的。
(10) 模式10(gv1=off~gv2=on)
其動態(tài)過程與模式8相同，完成u相上下橋臂功率開關(guān)器件的切換，同理也是以零電壓方式進(jìn)行的。
(11) 模式11(gv2=on~)
u相換相結(jié)束后，此時系統(tǒng)回到011矢量狀態(tài)，返回到模式1，進(jìn)入下一個載波周期。

3 換流功率開關(guān)器件控制基準(zhǔn)信號的生成
由第2部分的動作模式分析可見，換相開關(guān)v要在鋸齒波垂直沿前δt2時開通，δt2參照公式(2)和式(3)。
圖8是換流開關(guān)v驅(qū)動信號的生成原理圖。設(shè)載波幅值為±1，換向開關(guān)v在鋸齒波垂直沿前δt2時刻之前開通。

圖7 模式2的等效電路

由圖8可得換相開關(guān)v的動作值vaux確定如下:

(4)
式(4)中，ts為載波周期，ed為直流母線電壓，imax為三相負(fù)載電流中的最大值，即imax=max{iu，iv，iw}。

4 仿真和結(jié)論
為驗證本軟開關(guān)三相逆變器主電路拓?fù)涞恼_性，對該拓?fù)溥M(jìn)行了系統(tǒng)仿真，仿真參數(shù)如下:直流電壓:ed=540v; 電動機(jī)等效參數(shù):等效電感為l=15mh、等效電阻為r=10ω; 緩沖電容:cr=5nf; 換流電感:la=lb=lc=80μh;死區(qū)時間:td=3μs。仿真波形如圖9所示。

圖9 軟開關(guān)動作仿真波形圖

圖9(a)為v相上、下功率開關(guān)器件的電壓波形;
圖9(b)為換流開關(guān)v和v相上、下功率開關(guān)器件的電流波形;
圖9(c)為換流開關(guān)v及u相上、下功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號波形;
圖9(d)為三個換流電感上的電流波形;
圖9(e)為u相上、下功率開關(guān)器件的電流波形;
圖9(f)為u相上、下功率開關(guān)器件的電壓波形;
圖9(g)為三相負(fù)載的電流波形。u相上、下功率開關(guān)器件的電壓波形。
圖10為三相負(fù)載的電流波形。

圖10 三相輸出電流仿真波形

由圖9所示的仿真波形中可見，各相功率開關(guān)器件都是在其端電壓下降到零以后才開通的，從而證明了本文提出的zvt軟開關(guān)控制策略是可行的。圖10是逆變器的三相輸出電流仿真波形，由圖可見，逆變器的輸出電流波形具有較好的正弦度。
本文研究了一種新型軟開關(guān)三相pwm逆變器主電路拓?fù)?，該拓?fù)鋬H采用了一個換流開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本低，控制方便等優(yōu)點，采用斜率隨輸出電流極性交替改變的正負(fù)鋸齒載波有利于系統(tǒng)軟開關(guān)功能的實現(xiàn)。詳細(xì)分析了該拓?fù)涞能涢_關(guān)動作模式，對實現(xiàn)軟開關(guān)的動作時序進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，并對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字仿真，仿真結(jié)果驗證控制策略的正確性。