三相PFC和軟開關技術在變頻器中的應用

沈錦飛， 丁 楊

(江南大學電氣自動化研究所， 無錫 214122)

三相PFC和軟開關技術在變頻器中的應用

沈錦飛， 丁 楊

(江南大學電氣自動化研究所， 無錫 214122)

將三相功率因數校正和軟開關技術與傳統變頻器結合，提出了一種新穎的電路結構，在變頻調速的同時，改善了電網，降低功耗。前端使用三相雙開關PFC電路，結合一種新穎的CCM控制模式，為直流側提供穩定的電壓源，EMI小且適用于大功率，后端的零電壓導通電路使用三個輔助開關與LC諧振電路，降低了控制難度以及逆變側開關的負荷，并通過仿真驗證。

功率因數校正； 雙開關； 軟開關； 零電壓導通

目前工業上通用的變頻器存在功率因數低(約為0.6～0.7)，開關損耗大等問題，對電網的危害嚴重[1]。近年來隨著有源功率因數校正APFC(active power factor correction)技術的不斷發展，三相PFC技術逐步在變頻器中得到應用。三相PFC的難點在于相間解耦，不解耦三相單開關PFC控制容易但開關應力大，只適于小功率場合。全解耦三相六開關PFC功率因數雖高控制卻極其復雜[2，3]。因此，具有部分解耦特點的雙開關PFC電路成為研究的熱點。另外，傳統的硬開關逆變器在高開關頻率下難以保持較高的效率。而軟開關逆變器可減小功率器件開關損耗，在高開關頻率及高效率要求的場合更具有優勢[4，5]。

本文對傳統變頻器主電路結構進行改進，通過三相電壓的中性點將電路分成完全獨立的兩部分，三相PFC電路工作在連續導通模式CCM(continuous conduction mode)下，前端的三相電感的感量小于100 μH，功率因數為0.991，軟開關電路雖增加了三個輔助開關，但降低了控制難度，母線零電壓凹槽的位置和長度可靈活控制。

1 主電路結構和工作原理

主電路結構如圖1。前端三相PFC使用雙開關進行部分解耦，三相輸入電壓的中性線與輔助開關管S1和S2(均帶反并二極管)的中點相連，該電路上、下半橋相互獨立，形成部分解耦的基礎，開關器件承受的電壓只有輸出電壓的一半，降低了開關管的耐壓要求。在CCM下，已知三相輸入電壓為

圖1 主電路圖

(1)

由于三相電壓對稱性，以a相電壓正半周為例，在t∈[0～π]分三個狀態分析。三相雙開關PFC電路上、下半橋獨立，等效為單開關boost升壓電路，用D表示占空比，則

(2)

其中Uo1為半橋輸出電壓，Ua為a相的相電壓。

當t∈[0～π/6]，由于Uc>Ua>0，a相電流工作在斷續狀態，此時受控的是c相電流，a相電流處于被動校正，電流相位完全受c相控制，因此，在任意開關周期內a相的平均電流為

(3)

當t∈[π/6，5π/6]，Ua最大，a相電流工作在連續狀態，只要控制a相的電流跟蹤其電壓，就可以實現a相電流的正弦化，在任意開關周期內a相的平均電流為

(4)

當t∈[5π/6，π]，由于Ub>Ua>0，此時a相電流仍然工作在斷續狀態，并且a相電流相位受b相控制，在任意開關周期內a相的平均電流為

(5)

通過上述分析，只要采集當前狀態下的最大相電壓，使每相電流跟蹤最大相電壓，就可實現電流相位校正，在[π/6～5π/6]a相電流完全可控，既使a相電流得到最大補償，又使相鄰相電流得到被動補償，但由于電路處于部分解耦狀態，在[0～π/6]及[5π/6，π]，a相電流分別受控于b或c相，無法對a相進行獨立控制，補償效果并不理想，如何優化控制，以減小a相電流諧波仍有待解決[6]。

后端使用直流母線零電壓軟開關逆變電路。

該電路增加了三個輔助開關S3、S4和S5，續流二極管Dr以及諧振電感Lr和電容Cr構成諧振回路。使用兩個輔助開關同樣能完成軟開關動作，但要瞬間短路逆變側絕緣柵雙極晶體管IGBT(insulated bate bipolar transistor)以保證諧振電感電流的反相增大，可靠性不高[7]。等效電路如圖2，逆變側以一個IGBT和反并二極管代替。

圖2 零電壓導通等效電路

在一次零電壓過程中共經歷6個狀態，規定圖中所示的Io方向為正。

狀態1(t0～t1)：電路處于初態，S5開通，S3和S4關斷，iLr(t)=0，uCr(t)=E。

狀態2(t1～t2)：開關S3在零電流條件下開通(ZCS)，S5在零電壓條件下關斷(ZVS)，電流方向為Cr→Lr→S3→E/2，Lr和Cr發生第一次諧振，經過Δt2時間后，iLr(t)=0，uCr(t)=0。這里S3的開通時間必須大于電壓回零時間，保證母線電壓完全降為零，電流和電壓方程為

(6)

其中初態為iLr(t1)=0，ucr(t1)=E。

解該方程可得電流和電壓表達式為

(7)

狀態3(t2～t3)：母線電壓維持在零點，此時可以開通逆變側的IGBT，實現零電壓開通(ZVS)，此時可關斷S3，以保證S4的正常關斷。

狀態4(t3～t4)：其他開關狀態不變，開通S4(ZCS)給Lr充電，母線電壓開始上升，此時電流方向為：E/2→S4→Lr→Cr，經過Δt4時間后，使iLr(t4)=Io。諧振回路和第一次諧振反向，電流和電壓方程同公式(6)，初態不同。解得電流和電壓為

(8)

狀態5(t4～t5)：第二次諧振，電流維持原方向，經過Δt5時間后，iLr諧振回到初始狀態Io，uCr(t)=E。

狀態6(t5～t6)：開通S5，關斷S4，iLr逐漸減小到零，Dr自然導通續流。

據上分析，只要在狀態3開通逆變側的IGBT就能實現零壓導通，通過算法處理得到具有零壓開通特性的SVPWM脈沖，由于諧振頻率遠高于開關頻率，為逆變IGBT預留了足夠時間，輔助開關的觸發信號的產生與逆變器的調制方法無關，可滿足不同類型的PWM調制策略。此外，因逆變IGBT在零壓導通，上、下橋臂直通時回路中電壓為零，不需考慮死區效應和死區補償，便于軟件處理。

2 參數確定及仿真

本文仿真是基于Matlab/Simulink平臺，應用SimPowerSystems模塊中的元件搭建而成。

前端PFC電路的主要作用是抑制電網諧波并為后端提供穩定的直流電源800 V，三相的儲能電感L的選值是關鍵，技術指標為：輸入三相交流電380 V；IGBT開關頻率10 kHz；輸出功率57 kW；輸出直流電壓800 V；額定輸入電壓的升壓比為：

(9)

根據單開關的boost升壓電路工作在CCM模式下，可計算出D的最大值，而實際電流有一段時間為斷續模式，占空比可取最大值的90%，那么在輸出800 V直流電壓時：

(10)

電路工作在CCM模式下的輸出功率為

(11)

可得電感L=82 μH。

由于在主電路采用了三相PFC，在一個市電周期內輸入的功率恒定，因此其輸出濾波電容比相應功率級的單相電路要小，取C=500 μF，用兩個1000 μF/450 V的電容串聯而成。

軟開關電路和前端的PFC相互獨立，根據諧振頻率計算諧振電感Lr和電容Cr的值，技術指標為：輸入直流電壓800 V(即PFC電路輸出電壓)；異步電機額定功率30 kW；輸出電壓380 V；輸出額定電流76 A；變頻器最大工作頻率1 kHz；載波頻率8～9 kHz；諧振頻率100 kHz；電路在兩次諧振中Cr等效成交流電源，Cr和Lr構成串聯諧振電路。諧振頻率條件為

(12)

由于諧振電流的平均值和負載電流平均值相等，通過計算取Lr=0.5 μH，Cr=5 μF。

圖3為三相FPC中a相的電流和電壓波形，圖4選取4個周期內a相和c相的電流進行比較，可以看出a相電流在零點附近的電流波形較平坦，相位補償的效果較差，而此時c相的電流得到了最大的補償，這是由部分解耦本身的特點所決定的。圖5為三相PFC全橋輸出電壓800 V和半橋電壓400 V，波形平穩且超調小。

圖3 a相電壓和電流波形

軟開關仿真中三個輔助開關的動作情況和母線電壓如圖6所示，可得在S5關斷后立即打開S3，Cr和Lr進入第一次諧振，使Ucr降到零點，開通S4之后，母線電壓立即上升，通過第二次諧振使Ucr達到800 V。可見，零電壓的凹槽的位置由S3決定，而長度由S4決定。

圖4 a相和c相電流波形

圖5 三相PFC全橋輸出電壓波形

圖6 ZVS中輔助開關動作及母線電壓波形

3 結語

本文將雙開關PFC技術、ZVS技術與變頻器結合，通過理論分析和Matlab仿真驗證了這種結

合是可行的，從仿真波形可得，網側功率因數高、帶載能力強、直流母線電壓可控、為零電壓開通提供了條件。該電路具有廣闊的應用前景。

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Three-phasePFCandSoft-switchTechnologyintheApplicationofInverter

SHEN Jin-fei， DING Yang

(Institute of Electrical Automation, Jiang Nan University, Wuxi 214122, China)

Based on traditional inverter, the paper proposed a new circuit with power factor correction and soft-switch technology, which improves the power quality of grid and reduces power consumption. Power factor correction uses a dual switch PFC circuit with a new CCM model and provides a stable DC voltage source with low EMI and is suitable for high power. Behind that a zero-voltage turn-on circuit which consists of three auxiliary switches and LC resonant circuit is adopted. It is easy to control. At last, the paper verified its ability to test with inductive loads by software simulation.

power factor correction(PFC)； two-switch； soft-switch； zero voltage switching (ZVS)

2011-07-26；

2011-09-02

TN773

A

1003-8930(2011)06-0092-04

沈錦飛(1955-)，男，教授，碩士生導師，研究方向為電力電子、電機驅動與控制。Email:sjf_9@hotmail.com 丁 楊(1982-)，男，碩士研究生，研究方向為電機驅動與控制。Email:dy452876@126.com