王強(qiáng)， 唐朝垠， 王天施， 劉曉琴

(遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的諧振極軟開關(guān)逆變器

王強(qiáng)， 唐朝垠， 王天施， 劉曉琴

(遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

用硬開關(guān)逆變器來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)會(huì)產(chǎn)生逆變器的開關(guān)損耗大和運(yùn)行效率低的問題。為降低開關(guān)損耗，提出一種用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型諧振極軟開關(guān)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變器的三相輸出端添加輔助諧振電路，利用輔助電路中的高頻變壓器的等效電感與主開關(guān)并聯(lián)的緩沖電容之間的諧振，實(shí)現(xiàn)逆變器主開關(guān)器件的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)器件的零電流開關(guān)。依據(jù)不同工作模式下的等效電路圖，分析了電路的換流過程和設(shè)計(jì)規(guī)則，并建立起了輔助諧振電路損耗的數(shù)學(xué)模型，討論了諧振參數(shù)對(duì)輔助電路損耗的影響。制作了1臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明逆變器的主開關(guān)和輔助開關(guān)都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。該諧振極軟開關(guān)逆變器能有效改善效率，降低開關(guān)損耗。

無刷直流電機(jī)；逆變器；軟開關(guān)；變壓器；諧振

0 引 言

無刷直流電機(jī)(brushless DC motor,BLDCM)具有慣性低、響應(yīng)快、功率密度高、穩(wěn)定性好以及維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此它在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，這種電機(jī)還具有直流永磁電機(jī)的運(yùn)行特性，但是電機(jī)中卻不含機(jī)械的整流器和電刷，因此，與電刷有關(guān)的很多問題也同時(shí)被消除了，例如音頻干擾問題，在易燃環(huán)境中工作時(shí)容易點(diǎn)燃潛在的火源問題等。無刷直流電機(jī)通常是由硬開關(guān)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)逆變器來驅(qū)動(dòng)，但是這種逆變器的開關(guān)損耗大、效率低，特別是在高頻下運(yùn)行時(shí)，過大的電壓和電流變化率會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾和二極管反向恢復(fù)電流問題[1]。因此，傳統(tǒng)的硬開關(guān)逆變器對(duì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能和功率密度的提高會(huì)產(chǎn)生不利影響。

為解決硬開關(guān)逆變器存在的諸多缺點(diǎn)，研究人員開始關(guān)注軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)逆變器包括諧振直流環(huán)節(jié)逆變器[2-9]和諧振極逆變器[10-13]。研究人員已將諧振直流環(huán)節(jié)逆變器用于驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，其中文獻(xiàn)[7-9]提出的諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器可以用于驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，但是其在直流母線上串聯(lián)一個(gè)輔助開關(guān)器件，其通態(tài)損耗會(huì)隨著逆變器輸出功率的增大而大幅度增大，將嚴(yán)重阻礙逆變器效率提高，而且直流母線零電壓凹槽也會(huì)影響直流電壓利用率和逆變器輸出波形畸變率。諧振極逆變器的輔助諧振電路連接在逆變器的三個(gè)輸出端，直流環(huán)節(jié)電壓不受諧振的影響。因此，可以認(rèn)為用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軟開關(guān)逆變器的研究在未來將會(huì)以諧振極軟開關(guān)逆變器為主。

近些年，諧振極軟開關(guān)逆變器的研究主要集中在交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)為正弦波控制三相繞組中通有正弦電流，而無刷直流電機(jī)工作在星形三相六狀態(tài)120°換相時(shí)為方波控制，只有兩相通電且為方波，控制方法及開關(guān)器件的動(dòng)作與異步電動(dòng)機(jī)都有較大區(qū)別，因而，傳統(tǒng)的諧振極軟開關(guān)逆變技術(shù)并不完全適合于無刷直流電機(jī)，有必要研究適用于無刷直流電機(jī)的諧振極軟開關(guān)逆變器。文獻(xiàn)[13]提出了用于驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的諧振極軟開關(guān)逆變器，但是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都在直流母線之間設(shè)置了2個(gè)形成直流母線中性點(diǎn)電壓的大電容，當(dāng)采用單邊調(diào)制這種可以降低開關(guān)損耗的控制方法時(shí)，即對(duì)上橋臂開關(guān)器件采用120°換相控制，對(duì)下橋臂的開關(guān)器件采用PWM調(diào)制，將會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓偏移等問題，影響系統(tǒng)性能，因此文獻(xiàn)[13]中的逆變器橋臂上的主開關(guān)采用了相對(duì)復(fù)雜的上下橋臂開關(guān)器件交替進(jìn)行PWM調(diào)制的方法來維持中性點(diǎn)電位的平衡，而且三相逆變器的輔助開關(guān)器件多達(dá)6個(gè)，輔助電路的功率損耗較大，控制策略也比較復(fù)雜。

本文提出了一種用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型諧振極軟開關(guān)逆變器，相比于文獻(xiàn)[13]，本文提出的逆變器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略上的特點(diǎn)是①直流母線之間沒有設(shè)置用于形成中性點(diǎn)電壓的大電容，無中性點(diǎn)電位的變化問題，所以該逆變器橋臂上的主開關(guān)可以采用相對(duì)簡單的單邊調(diào)制法；②三相逆變器的輔助電路結(jié)構(gòu)簡單，只有3個(gè)輔助開關(guān)器件，2個(gè)輔助二極管和1個(gè)高頻變壓器，利用輔助電路中的高頻變壓器的等效電感與下橋臂的主開關(guān)并聯(lián)的緩沖電容之間的諧振，實(shí)現(xiàn)逆變器主開關(guān)器件的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)器件的零電流開關(guān)。文中分析了在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電路各個(gè)工作模式，給出了逆變器的軟開關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則和輔助諧振電路損耗的數(shù)學(xué)模型，討論了諧振參數(shù)對(duì)輔助電路損耗的影響，最后制作了1臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文提出的新型諧振極軟開關(guān)逆變器的有效性。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

該逆變器采用單邊調(diào)制方法，逆變器上橋臂的3個(gè)主開關(guān)工作在換相頻率，逆變器下橋臂的3個(gè)主開關(guān)工作在PWM頻率，所以上橋臂的主開關(guān)的工作頻率遠(yuǎn)低于下橋臂的主開關(guān)的工作頻率。如果逆變器下橋臂的3個(gè)主開關(guān)工作在軟開關(guān)條件下，逆變器開關(guān)損耗將會(huì)明顯降低，輔助電路也會(huì)變得更加簡單。新電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由直流電源，輔助諧振電路，PWM逆變器和無刷直流電機(jī)組成。輔助諧振電路包括高頻變壓器(原副邊繞組匝數(shù)比為1:n，等效電感為Lr)，輔助開關(guān)器件Sa、Sb、Sc，及輔助二極管Dr1、Dr2，其中Dr1直接串聯(lián)在直流母線與變壓器二次繞組之間，Dr2與變壓器一次繞組并聯(lián)。PWM逆變器下橋臂的主開關(guān)器件都并聯(lián)了緩沖電容Cra、Crb、Crc，Cra=Crb=Crc=Cr。因?yàn)榫彌_電容能夠降低電壓上升率，所以逆變器上橋臂和下橋臂的6個(gè)主開關(guān)器件都可以在零電壓條件下關(guān)斷，降低了關(guān)斷損耗，消除了關(guān)斷電壓尖峰。在開通逆變器下橋臂的3個(gè)主開關(guān)時(shí)，必須提前開通相應(yīng)的輔助開關(guān)，將緩沖電容中的電量釋放完，這樣逆變器下橋臂的主開關(guān)才能獲得零電壓開通條件。利用輔助電路中的高頻變壓器的等效電感與下橋臂的主開關(guān)并聯(lián)的緩沖電容之間的諧振，實(shí)現(xiàn)逆變器主開關(guān)器件的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)器件的零電流開關(guān)。

圖1 三相諧振直流環(huán)節(jié)逆變器主電路Fig.1 Proposed three phase resonant DC Link inverter

1.2 工作原理

以一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)，S1和D3導(dǎo)通狀態(tài)與S1和S6導(dǎo)通狀態(tài)之間的換流過程為例，來分析電路的工作過程。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，可以假設(shè)負(fù)載電流為I0恒定不變，等效電路如圖2所示，各部分的電壓和電流以圖2所示的方向?yàn)檎ｋ娐返奶卣鞴ぷ鞑ㄐ稳鐖D3所示，包括變壓器一次繞組電流iLr，主開關(guān)S6的端電壓uS6(緩沖電容Crb端電壓)和開關(guān)器件S6與Sb觸發(fā)信號(hào)的波形。如圖3所示，該電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分為7個(gè)工作模式，各工作模式的等效電路圖如圖4所示。

圖2 逆變器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of proposed inverter

工作模式：

模式1(t～t0)：初始狀態(tài)，主開關(guān)S6處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流I0經(jīng)二極管D3續(xù)流，S6的端電壓uS6等于直流電源電壓E，輔助諧振電路不工作。

模式2(t0～t1)：在t0時(shí)刻，開通輔助開關(guān)Sb，在變壓器繞組等效電感的作用下，流過變壓器一次繞組電流iLr不能突變，所以Sb實(shí)現(xiàn)了零電流開通。iLr從零開始增加，流過D3的電流從I0開始減小，流過變壓器二次繞組的電流iLrs經(jīng)二極管Dr1流回直流母線。變壓器一次繞組和二次繞組最終的端電壓值都等于直流電源電壓E，忽略變壓器繞組的阻抗，運(yùn)用變壓器等效電路可得

圖3 電路的特征工作波形Fig.3 Characteristic waveforms of circuit

圖4 各工作模式的等效電路Fig.4 Equivalent circuits under different operation modes

(1)

式中：L1和L2分別為變壓器一次繞組和二次繞組的漏電感，a為變壓器的匝數(shù)比1∶n，變壓器有較高的勵(lì)磁電感，我們可以假設(shè)iLr=niLrs，由式(1)可得

(2)

其中變壓器的等效電感Lr=L1+L2/n2。本模式中變壓器一次繞組電流iLr線性增加，在t1時(shí)刻，當(dāng)iLr=I0，D3截止，負(fù)載電流全部流過變壓器一次繞組時(shí)，模式2結(jié)束。本模式的持續(xù)時(shí)間為

(3)

模式3(t1～t2)：在t1時(shí)刻，負(fù)載電流I0全部流過變壓器一次繞組，D3在零電流條件下關(guān)斷，因此D3的反向恢復(fù)問題得到解決。從t1時(shí)刻開始，iLr繼續(xù)增大，電容Crb和變壓器等效電感Lr進(jìn)入諧振狀態(tài)，Crb放電，Lr被充電，uS6逐漸減小，iLr從I0開始繼續(xù)增大，在t2時(shí)刻，當(dāng)uS6減小到零時(shí)，本模式結(jié)束。本模式中uS6(t)和iLr(t)的表達(dá)式分別為：

(4)

(5)

此諧振過程持續(xù)時(shí)間為

(6)

當(dāng)t=t2時(shí)變壓器一次繞組電流I1為

(7)

變壓器一次繞組電流最大值為

(8)

模式4(t2～t3)：在t2時(shí)刻，Crb電壓uS6減小到零，Dr2開始導(dǎo)通。負(fù)載電流I0全部流過Sb，流過變壓器一次繞組電流iLr等于流過Sb和Dr2電流之和，變壓器一次繞組端電壓為零，二次繞組端電壓為E，可得

(9)

流過變壓器一次繞組電流的變化率為

(10)

變壓器一次繞組電流線性減小，在t3時(shí)刻，當(dāng)iLr=I0時(shí)，本模式結(jié)束，本模式中開通S6，因?yàn)殡娙軨rb的電壓不能突變，所以開關(guān)S6可在零電壓條件下開通。

本模式持續(xù)時(shí)間為

(11)

模式5(t3～t4)：從t3時(shí)刻開始，變壓器一次繞組電流iLr從I0繼續(xù)線性減小，部分負(fù)載電流開始流過開關(guān)S6。流過開關(guān)S6和Sb的電流之和等于負(fù)載電流I0。在t4時(shí)刻，當(dāng)iLr減小到零時(shí)，本模式結(jié)束。在t4時(shí)刻，關(guān)斷Sb，因?yàn)榱鬟^Sb的電流已經(jīng)等于零，所以Sb完成了零電流關(guān)斷；如果在本模式的t4時(shí)刻之前關(guān)斷Sb，因?yàn)殡娙軨rb端電壓等于零，所以在Crb的作用下，Sb可以完成零電壓關(guān)斷。本模式持續(xù)時(shí)間為

(12)

模式6(t4～t5)：當(dāng)變壓器一次繞組電流減小到零后，輔助諧振電路不工作。本模式中逆變器的運(yùn)行方式與硬開關(guān)逆變器相同，負(fù)載電流由直流母線經(jīng)主開關(guān)S1、電機(jī)和主開關(guān)S6構(gòu)成閉合回路。

模式7(t5～t6)：在t5時(shí)刻，直接關(guān)斷主開關(guān)S6，輔助諧振電路不工作。因?yàn)殡娙軨rb端電壓不能突變，所以主開關(guān)S6完成了零電壓關(guān)斷，然后負(fù)載電流流向Crb，Crb被充電，Crb端電壓線性上升。在t6時(shí)刻，當(dāng)Crb端電壓上升到E時(shí)，本模式結(jié)束。

本模式的持續(xù)時(shí)間為

T7=t6-t5=CrE/I0。

(13)

本模式結(jié)束后，在下一個(gè)開關(guān)周期，電路又從模式1開始工作，但是負(fù)載電流經(jīng)二極管D5續(xù)流，電路將進(jìn)入到S1和D5導(dǎo)通狀態(tài)與S1和S2導(dǎo)通狀態(tài)之間的換流過程。

1.3 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件及設(shè)計(jì)規(guī)則

1)當(dāng)輔助開關(guān)開通時(shí)，變壓器的等效電感Lr的大小與通過開關(guān)的電流上升率成反比，這說明等效電感Lr必須足夠大，這樣才能限制流過輔助開關(guān)電流的上升率，使輔助開關(guān)獲得零電流開通條件。因此為保證輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電流開通，Lr應(yīng)滿足下式

Lr≈4tonE/I0max。

(14)

其中：ton是輔助開關(guān)器件的開通延遲時(shí)間，I0max是負(fù)載電流最大值。

2)當(dāng)逆變器下橋臂的主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，緩沖電容值Cr的大小與主開關(guān)關(guān)斷之后的電壓的上升率成反比。所以Cr應(yīng)該足夠大，才能夠限制逆變器主開關(guān)關(guān)斷時(shí)的電壓上升率，使主開關(guān)獲得零電壓關(guān)斷條件。因此為保證主開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，Cr應(yīng)滿足下式

Cr≈4toffI0max/E。

(15)

其中toff是主開關(guān)器件的關(guān)斷延遲時(shí)間。

3)Cr越大，緩沖電容存儲(chǔ)的電量就越多，在逆變器下橋主開關(guān)開通前，緩沖電容中的電量應(yīng)該提前釋放完，所選Cr越大，在電容放電時(shí)，流過變壓器一次側(cè)繞組電流的最大值iLr-m就越大，但是iLr-m應(yīng)不超過負(fù)載電流最大值I0max的兩倍，由式(8)可得Cr應(yīng)滿足

(16)

4)由式(6)可知n的選取必須滿足

n>2。

(17)

由式(12)可知如果n值太大，變壓器一次繞組電流iLr減小到零所需時(shí)間太長，所以必須選取大小合適的n值。

5)根據(jù)工作模式可知，逆變器下橋臂的主開關(guān)S6在模式4期間開通，可以完成零電壓開通，為了能使S6在全負(fù)荷范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，S6開通時(shí)刻相比于輔助開關(guān)Sb的滯后時(shí)間Td應(yīng)滿足(T2+T3)|I0=I0max≤Td≤(T2+T3+T4)|I0=0-ton。

(18)

將式(3)、式(6)和式(11)帶入式(18)中可得

(19)

6)為了使輔助開關(guān)Sb在全負(fù)荷范圍都實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，Sb的導(dǎo)通時(shí)間Ton(Sb)應(yīng)滿足

Ton(Sb)≥(T2+T3+T4+T5)|I0=I0max。

(20)

7)為了使輔助開關(guān)Sb在全負(fù)荷范圍都實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，Sb的導(dǎo)通時(shí)間Ton(Sb)應(yīng)滿足

Ton(Sb)≥(T2+T3+T4)|I0=I0max。

(21)

逆變器主開關(guān)工作在零電壓開關(guān)條件下，因此，電壓應(yīng)力等于直流母線電壓E，器件電流變化率即為負(fù)載電流。輔助開關(guān)工作在零電流開關(guān)條件下，因此其電壓應(yīng)力也等于直流母線電壓E。流過主開關(guān)和輔助開關(guān)的電流的尖峰值被限制在兩倍于最大負(fù)載電流的范圍以內(nèi)。據(jù)此，來選擇主開關(guān)和輔助開關(guān)。

1.4 輔助電路功率損耗的分析

根據(jù)工作模式分析可知，逆變器的主開關(guān)器件S6實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)，開關(guān)損耗為零；輔助開關(guān)Sb實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)，開關(guān)損耗為零；輔助二極管Dr1和Dr2存在通態(tài)損耗。理想狀態(tài)下，變壓器繞組L1和L2的電阻很小，功耗可以近似為零。設(shè)輔助開關(guān)器件Sb通態(tài)壓降為VCE，輔助二極管Dr1和Dr2的通態(tài)壓降為VEC,開關(guān)頻率為fc。根據(jù)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的各工作模式的理論分析，采用分段積分法可以得到輔助電路各器件的功率損耗數(shù)學(xué)模型。

輔助開關(guān)Sb的通態(tài)功耗PSb可表示為

(22)

二極管Dr1、Dr2的通態(tài)功耗PDr1、PDr2可表示為：

(23)

(24)

輔助諧振電路的總功耗Padd可表示如下：

Padd=PSb+PDr1+PDr2=

(25)

接下來用Padd分別對(duì)Lr和Cr求偏導(dǎo)，來研究Lr和Cr的變化對(duì)功率損耗的影響。

(26)

(27)

由式(26)和式(27)可知隨著Lr和Cr的增大，輔助諧振電路的功率損耗會(huì)增大，所以在滿足軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件和設(shè)計(jì)規(guī)則的前提上，Lr和Cr盡量取最小值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖1制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為直流電源電壓E=300 V，最大負(fù)載電流I0peak=25 A，PWM開關(guān)頻率fc=10 kHz，開關(guān)器件開通延遲時(shí)間ton=160 ns，開關(guān)器件關(guān)斷延遲時(shí)間toff=140 ns，變壓器匝數(shù)比a=1∶4，其一次繞組和二次繞組漏電感L1和L2分別為6 μH 和24 μH ，變壓器的等效電感Lr為7.5 μH，緩沖電容值Cr=47 nF，下橋臂的主開關(guān)開通時(shí)刻相比于輔助開關(guān)的滯后時(shí)間Td=66 μs，輔助開關(guān)在每個(gè)開關(guān)周期處于開通狀態(tài)的時(shí)間Ton(Sb)=70 μs，即占空比等于0.7。將實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入式(14)～式(21)可以驗(yàn)證參數(shù)值滿足要求。另外逆變器輸出端接無刷直流電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為額定功率2.5 kW，額定轉(zhuǎn)速n為3 000 r/min，極對(duì)數(shù)P為4。

主開關(guān)S6的端電壓uS6和變壓器一次繞組電流iLr的實(shí)驗(yàn)波形如圖5(a)所示，可以看出uS6下降的同時(shí)，iLr也在發(fā)生變化，說明逆變器下橋臂的主開關(guān)并聯(lián)的緩沖電容與變壓器的等效電感處于諧振狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)波形與圖3所示的特征工作波形基本相符，驗(yàn)證了逆變器工作原理的正確性。主開關(guān)S6開通和關(guān)斷時(shí)的電壓uS6和電流iS6的實(shí)驗(yàn)波形如圖5(b)所示，可以看出S6關(guān)斷時(shí)，uS6以相對(duì)較低的上升率增大，所以S6實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷；S6開通時(shí)，uS6已經(jīng)先下降到零，然后iS6才開始上升，所以S6實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。輔助開關(guān)Sb開通和關(guān)斷時(shí)的電壓uSb和電流iSb的實(shí)驗(yàn)波形如圖5(c)所示，可以看出Sb開通時(shí)，iSb以相對(duì)較低的上升率增大，所以Sb實(shí)現(xiàn)了零電流開通；Sb關(guān)斷前，iSb已經(jīng)等于零，所以Sb實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。逆變器a相和b相輸出的相電流ia和ib實(shí)驗(yàn)波形如圖5(d)所示，此時(shí)電機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速，相電流波形接近方波，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性能良好。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms

為驗(yàn)證本文提出的軟開關(guān)逆變器在效率上的優(yōu)勢(shì)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)本文提出的軟開關(guān)逆變器、硬開關(guān)逆變器以及文獻(xiàn)[13]提出的軟開關(guān)逆變器進(jìn)行了效率對(duì)比測(cè)試，測(cè)試時(shí)硬開關(guān)和軟開關(guān)逆變器都保持輸出相電壓有效值110 V不變，在相同的輸出功率下分別測(cè)量這三種逆變器的輸入功率，最后用輸出功率除以輸入功率得到效率，如圖6所示?？紤]到讀取誤差，在同一條件下測(cè)量4次，最后取其平均值。在輸出功率2.5 kW時(shí)，本文提出的軟開關(guān)逆變器的實(shí)測(cè)效率達(dá)到95.8%，相比于文獻(xiàn)[13]提出的軟開關(guān)逆變器，效率提高了1%；相比于硬開關(guān)逆變器，效率提高了2%。

圖6 實(shí)測(cè)效率曲線Fig.6 Measured efficiency curve

3 結(jié) 論

本文提出了一種用于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型諧振極軟開關(guān)逆變器，與相關(guān)文獻(xiàn)提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，其特點(diǎn)是直流母線之間沒有大電容，無中性點(diǎn)電位的變化問題，利用輔助電路中的高頻變壓器的等效電感與下橋臂的主開關(guān)并聯(lián)的緩沖電容之間的諧振，使開關(guān)器件完成軟開關(guān)。

通過實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：1)逆變器的主開關(guān)和輔助開關(guān)都工作在軟開關(guān)條件下；2)所有開關(guān)器件的電壓應(yīng)力都不高于直流電源電壓；3)逆變器輸出的相電流被很好地控制，電流波形為光滑的方波，電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行；4)在輸出功率2.5 kW的原理樣機(jī)上得到了95.8%的實(shí)測(cè)效率，相比于文獻(xiàn)[13]中提出的軟開關(guān)逆變器，效率提高了1%；相比于硬開關(guān)逆變器，效率提高了2%。

[1] 周美蘭,田小晨. 用于電動(dòng)汽車的交錯(cuò)并聯(lián)軟開關(guān)雙向DC/DC變換器[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2016,21(4): 83-89. ZHOU Meilan,TIAN Xiaochen. An interleaved soft-switching bidirectional DC/DC converter in electric vehicles[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology,2016,21(4): 83-89.

[2] CHANG Jie,HU Jun. Modular design of soft-switching circuits for two-level and three-level inverter[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2006,21(1): 131-139.

[3] 王強(qiáng),王天施. 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013,17(1): 58-64. WANG Qiang,WANG Tianshi. Parallel resonant DC link inverter for motor drives [J]. Electric Machines and Control,2013,17(1): 58-64.

[4] WANG Chienming. A novel soft-switching single-phase AC-DC-AC converter using new ZVS-PWM strategy[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2007,22(5): 1941-1948.

[5] Gurunathan R,Ashoka K S B. Zero-voltage switching DC link single-phase pulse width-modulated voltage source inverter[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2007,22(5): 1610-1618.

[6] Mandrek S,Chrzan P J．Quasi-resonant DC-link inverter with a reduced number of active elements[J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics,2007,54(4): 2088-2094.

[7] Zhi Yang Pan,Fang Lin Luo. Transformer Based Resonant DC link Inverter for Brushless DC Motor Drive System[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2005,20(4): 939-947.

[8] 賀虎成,劉衛(wèi)國,李榕,等．電機(jī)驅(qū)動(dòng)用新型諧振直流環(huán)節(jié)電壓源逆變器[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(12)：60-65． HE Hucheng,LIU Weiguo,LI Rong,et al. A novel resonant DC link voltage source inverter for motor drives[J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(12): 60-65.

[9] 湯平華,杜坤梅,李鐵才. 用于方波無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型三相逆變器[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2008,12(2): 155-159. TANG Pinghua,DU Kunmei,LI Tiecai. New three-phase inverter for BLDCM drive[J]. Electric Machines and Control,2008,12(2): 155-159.

[10] 王強(qiáng),唐朝垠,王天施,等. 結(jié)構(gòu)簡單的諧振極型零電流軟開關(guān)逆變器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2016,20(7): 102-110. WANG Qiang,TANG Chaoyin,WANG Tianshi,et al. Resonant pole zero current soft-switcing inverter with simple structure[J]. Electric Machines and Control,2016,20(7): 102-110.

[11] Yuan X,Barbi I. Analysis,designing,and experimentation of a transformer-assisted PWM zero-voltage switching pole inverter[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2000,15(1): 72-82. [12]ZHANG Huaguang,WANG Qiang,CHU Enhui,et al. Analysis and implementation of a passive lossless soft-switching snubber for PWM inverters[J]. IEEE Trans. on Power Electronics,2011,26(2): 411-426.

[13] 賀虎成,劉衛(wèi)國,解恩. 一種新型無刷直流電機(jī)諧振極軟開關(guān)逆變器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(12): 99-106. HE Hucheng,LIU Weiguo,XIE En. A novel resonant pole inverter for brushless DC motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(12): 99-106.

(編輯：賈志超)

A resonant pole soft-switching inverter for brushless DC motor drives

WANG Qiang， TANG Chao-yin， WANG Tian-shi， LIU Xiao-qin

(College of Information and Control Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China)

The brushless DC motor is supplied by a hard-switching inverter,which causes the problem of high switching loss and low efficiency in the inverter.A resonant pole soft-switching inverter was proposed for brushless dc motor to reduce switching loss. By adding auxiliary resonant circuits to three-phase output of the hard-switching inverter,it realized zero voltage switching operation of all main switching devices in inverter and zero current switching operation of auxiliary switching devices,based on the resonance between the equivalent inductance of high frequency transformer in the auxiliary circuit and snubber capacitor in parallel with main switching device. According to equivalent circuits in different modes,commutation process of the circuit and design rule were analyzed. The mathematical model for auxiliary resonant circuit loss was established and the influence of resonant parameters on the loss of auxiliary circuit was discussed. A laboratory prototype was built. Experimental results showed that both of the main switching devices and auxiliary switching devices were operated under zero voltage or zero current. The resonant pole inverter presented can effectively improve efficiency and reduce switching loss.

brushless DC motor; inverter; soft switching; transformer; resonant

2015-04-25

國家自然科學(xué)基金(51207069);遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(20170540586);遼寧石油化工大學(xué)國家級(jí)科研項(xiàng)目培育基金(2016PY-016)

王 強(qiáng)(1981—),男,博士,副教授,研究方向?yàn)檐涢_關(guān)逆變器的電路拓?fù)浼翱刂? 唐朝垠(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)檐涢_關(guān)逆變器的電路拓?fù)浼翱刂? 王天施(1970—),男,博士,副教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù); 劉曉琴(1975—),女,博士研究生,副教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障診斷。

王 強(qiáng)

10.15938/j.emc.2017.06.008

TM 464

A

1007-449X(2017)06-0059-07