三電平ARCPI軟開關逆變器的仿真及試驗分析

呂青 聞琦 高嵬

（1. 空軍預警學院，武漢430019；2. 92380部隊裝備部，三亞572000；3.海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033）

0 概要

輔助諧振環流極逆變電路（Auxiliary Resonant Commuted Pole Inverter－ARCPI）把諧振電路從直流環節移到了逆變橋臂上，因此具有電壓和電流應力低的優點；與直流環節諧振型逆變器相比，ARCPI還具有三相橋臂之間操作相互獨立、控制靈活、可方便的實現各種PWM調制策略等一系列優點。此外，相對于諧振母線換流電路，ARCPI只在換流時輔助諧振環節才流過電流，大大減少了導通損耗。而其輔助電路的控制和逆變器的PWM控制完全獨立，主開關管軟開關操作不受負載條件影響，諧振電感和主功率通路分離，容易引入多電平電路等幾大優點，很可能成為下一代逆變器更有希望的拓撲結構[1]。

本文基于ARCPI的工作原理和寬幅壓輸入，建立了寬幅壓三電平的ARCPI的仿真模型，并通過試驗驗證了仿真所得結論，同時通過對比得出三電平ARCPI軟開關在抑制3次諧波方面具有顯著優勢。此外，仿真實驗表明，三電平 ARCPI軟開關對寬幅壓輸入情況下開關管上的沖擊電流起到了限制作用。

1 輔助諧振環流極逆變電路簡介

R.De Doncker 指出：“提高軟開關變換器效率的一個重要條件是，諧振電感和諧振極并聯而不是串聯于主功率通道上[2]”。ARCPI 恰恰具備這樣的并聯結構，如圖 1 所示，C1=C2=C 足夠大時，通過一個雙向開關將諧振電感和主電路隔離，在逆變橋臂不需要換流時，輔助開關 Sa1、Sa2均關斷，Lr中沒有電流流過，沒有像諧振直流環逆變器（RDCLI）式的通態損耗。

當需要換流時，開通輔助開關管激發諧振電路，為主開關管 S1、S2提供零電壓開通條件。假設負載電流 I0一直為圖 1 所示方向，且換流瞬間恒定，反方向與此對稱不再討論，輸出電壓為正記為“P”狀態，為負記為“N”狀態，可將整個換流過程分為以下三種情況：

圖1 ARCPI原理圖

（1）P→N，負載電流足夠大，稱為容性換流，即將從 S1流過電流換至從 VD2流過，無需啟動換流極，Cr1、Cr2恒流充放電實現換流。Cr1上的電壓不能突變，所以 S1為 ZVS 關斷；當 UCr2=0后，S2可以 ZVS開通，因為UCr1+UCr2=Ed，僅以 UCr1為例，其波形圖和相平面圖見圖2換流1；

（2）P→N，負載電流較小，稱為 ARCP 輔助容性換流，此時如仍以前面的方式換流，持續的時間就會很長，所以借助輔助諧振極加速換流過程：ZCS 下開通 Sa2，iLr反向增加到 Ith2，ZVS下關斷S1，諧振開始，直至 UC=0，VD2導通，iLr線性下降為零，Sa2ZCS 關斷，此后可以 ZVS開通 S2，波形圖和相平面圖見圖2換流 2。Ith2之所以不為零，是為了補償諧振過程中的能量損耗。

（3）N→P，稱為 ARCP 換流，即將從 VD2流過電流換至從 S1流過，必須借助輔助諧振極。ZCS 下開通 Sa1，iLr增加到 Ith1(Ith1＞I0)，ZVS 下關斷 S2，諧振開始，直至UC=0，VD1導通，ZVS開通 S1，iLr線性下降為零，Sa1ZCS 關斷，波形圖和相平面圖見圖2換流3。Ith1＞I0，也是考慮了損耗的影響。

通過對ARCPI原理的分析，不難得出該電路的優點：

（1）諧振電感和主功率通路分離，諧振僅出現在換流期間，導通損耗小。從相平面上看，主開關管電壓應力沒有增加，電流應力增加約 5%，即Ith1-I0的值。

（2）輔助電路的控制和逆變器的 PWM 控制完全獨立，自由設計的空間較大。

（3）主開關管軟開關換流不受負載條件影響。

（4）所有的主開關工作于 ZVS，所有的輔助開關工作于 ZCS。

（5）輔助開關承受的電壓應力僅為主開關的一半，且電流有效值非常小。

（6）du/dt 完全可控，di/dt 部分可控，EMI較小。

（7）主開關器件電壓電流尖峰較小，可以充分利用它的容量，提高裝置傳輸功率的能力。

圖2 三種換流過程原理圖

但也有如下一些缺陷：

（1）需要精確測量的物理量較多，控制復雜尤其是直接應用于三相逆變器中時。

（2）直流側電容中點電位的浮動。

（3）諧振損耗需要能量補償，增加了控制復雜性。

（4）雜散電感引起流入諧振電容的電流不平衡，影響 ZVS 的實現，進而加大了損耗。

（5）輔助二極管反向恢復帶來較高的尖峰電壓，需要附加抑制電路。

為了進一步研究 ARCP 的性能，文獻[3]對比了ARCP 與硬開關(HSW)、有源鉗位諧振直流環(ACRDCL)的幾項性能指標，見表1。可以看出，ARCP可以工作在更高的頻率，THD 較小，損耗更小，效率上也有優勢。但作者認為，效率、THD只是衡量ARCP 的一個方面，du/dt、di/dt 和 EMI減小，開關頻率的提高，主開關容量的充分利用，易于向多電平擴展等，都是大功率場合 ARCP技術的優勢所在。

表1 ARCP與HSW和ACRDCL的性能比較表

2 幅壓條件下的 ARCPI軟開關逆變器的仿真分析

本文采用 Orcad/Pspice 9.2軟件進行仿真分析[4]，具體仿真原理圖如圖 3所示。其中交流側各相阻性負載為1Ω，濾波電感為1.5 mH，濾波電容取608 μF；采用理想開關管和反向二極管；輸入直流電壓范圍在175～320 V。了研究參數變化對電路的影響，本文將對各種不同參數分別加以分析，以期從中得出有益的結論。

圖3 單相ARCPI原理圖

圖4 輸出電壓波形

根據寬幅壓輸入條件，對 175 VDC輸入和320 VDC輸入分別進行分析：

當輸入直流電壓為175 V時，輸出電壓、開關管沖擊電流波形如圖4、圖5所示。

當輸入直流電壓為320 V時，輸出電壓、開關管沖擊電流波形如圖6-7所示。

由此可見，盡管直流電壓波動范圍在175～320 V，但是開關管上的沖擊電流卻在3.5～9 A的范圍內變動，在選取合適的開關管后即可保證其正常運行而不會受到損害。

圖5 開關管沖擊電流波形

圖6 輸出電壓波形圖

圖7 開關管沖擊電流波形

值得關注的是，當直流電壓取最小值175 V時，交流輸出電壓幅值為175 V左右；當直流電壓取最大值為320 V時，交流輸出電壓幅值為320 V，也就是說，三電平拓撲的ARCPI逆變器電路在寬幅壓輸入條件下其輸出電壓不能穩定在某一小范圍內，但是該電路相對于普通逆變器而言能夠輸出品質較高的交流量，如果結合適合的DC/DC或AC/AC電路，可以使交流輸出穩定在既定的電壓附近。文獻[5]中詳細介紹了一種DC/DC電路，如果在直流輸入側加入這種電路，理論上可獲得穩定的交流輸出。

3 基于寬幅壓條件下的 ARCPI軟開關逆變器的試驗研究

根據仿真的分析結果，搭建試驗平臺進行試驗。

實驗原理圖參考圖3，最終選取電路中Lr=12 μF，Cr1= Cr2=0.1 μF，Cr3=200 μF，。試驗輸出波形如圖8、圖9所示。

圖8 實驗輸出電壓波形

圖9 實驗輸出電壓濾波后的波形

圖8左圖為輸入直流電壓175 V時輸出點對中點的電壓，右圖為輸入直流電壓300 V時輸出點對地的電壓。對比仿真波形圖4、圖6，實驗輸出的電壓波形同仿真波形基本符合，仿真圖形中電壓波形存在波動，而在實驗中卻沒有出現這一問題，這是由于實驗所采用的電源是整流后的直流電源，而仿真采用的是理想直流電壓源。

圖10 輸出電壓的諧波分析

圖9為濾波后輸出電壓，其中左圖為直流輸入175 V時的輸出電壓，右圖為直流輸入300 V時的輸出電壓。

圖10是輸出電壓的諧波分析，從圖中可以看出，由于設定實驗頻率為167 Hz，可以看出，三電平拓撲可以消除 3n次諧波（n≥1），此外，還剩余 2、4、5、7次諧波。由幅頻特性的公式A=20lgG，有 A1≈30 dB=20lgG1，A2= A4≈7.5 dB=20lgG2，A3= A6=0，A5=15 dB=20lgG5， A7=13 dB=20lgG7；從中可以看出，，也就是說，整個諧波占基波的百分比很小，可以忽略不計。

4 結論

寬幅壓條件下三電平 ARCPI軟開關逆變器結構電路，經仿真和試驗驗證，具有諧波含量小，電壓和電流應力小等優勢，對研制適合寬幅壓輸入的大功率逆變器具有一定參考價值。

[1]Bose B K. Recent advances in power electronics and drives [D]. Seminar in China University of Mining and Technology. 1996.

[2]Dedoncker R W, Lyons J P, The auxiliary resonant commutated pole converter[C]. IEEE Industry Application Soc. Conf. Proc. 1990： 1228-1235.

[3]韓英鐸, 王仲鴻, 林孔興等. 電力系統中的三項前沿課題—柔性輸電技術, 智能控制, 基于 GPS的動態安全分析與監測系統[J]. 清華大學學報(自然科學版), 1997, 37(7)： 1-6.

[4]陳建業. 電力電子電路的計算機仿真[M]. 北京： 清華大學出版社, 2003.

[5]童正軍. 基于寬幅壓的ZVT-PWM CUK直流變換器研究[D]. 武漢： 海軍工程大學, 2006.