论文（设计）-基于开关技术的大功率变频器研究38070.doc

专业好文档基于开关技术的大功率变频器研究梁南丁 董德明 王春莹平顶山工业职业技术学院 河南 平顶山 467001摘 要： 在电力传动领域里，随着电力电子技术的不断完善和工业领域对大功率，高质量变频器日益迫切的需求，大功率变频装置的研究成为科研、开发的热点，也是电力电子变换技术在电力驱动方面科研成果转化的重点之一。文章对传统硬开关技术大功率变频器的特点，目前在大功率变频器研究中存在的问题，大功率软开关变频器的研究目标，降低功率器件开关损耗的途径，软开关技术变频器的有关性能指标等进行了分析和研究，并在此基础提出软开关技术在大功率变频器中应用的可行性。关键词： 软开关； 变频器； 开关频率； 开关损耗    1大功率变频器的特点及研究方向 由于硬开关技术的大功率变频器具有：主电路功率器件上的电流大；电路的耗散功率大，散热问题严重；可靠性要求高，需要完善的自保护和负载保护功能；控制功能不断增加等特点。因此，要改善硬开关技术大功率变频器的性能，就需要进一步研究、探索和解决如下问题。   1）提高开关频率。在原有基础上进一步提高图1  用于驱动三相交流电机的电压源三相逆变器系统一般构成图2  一个开关周期内功率开关器件和反并联二极管上的电流和电压波形变频器中功率器件的开关频率，将会使输出波形中的低次谐波被更有效地抑制，输出电压和电流将更趋于正弦波形，滤波器的尺寸将大大缩小等，使大功率变频器的性能得到很大的改善。 2）改善吸收电路。三相变频器中的6个大功率开关器件，在传统的强迫换流（硬开关）条件下，每一个开关器件或逆变桥臂上都需要一个由较大电阻、电容和二极管组成的吸收电路，这不但增大了整个装置体积和安装难度，而且消耗能源。目前人们所关注的是如何能够省掉吸收电路，又能保护功率器件的安全运行。 3）缩小变频器体积。在大功率变频器中，为散热而设计的器件散热器要占很大的体积，从而使得变频器的体积比较大。对于一些要求变频器功率大，体积小的应用场合。就需要解决减小散热器体积的问题4）减少开关损耗。由于大功率变频器功率器件开关过程损耗的绝对值很大，当需要提高开关频率时，这种开关损耗将会更加明显，所以，大部分大功率变频器中功率器件的开关频率都在几个kHz。而在某些特殊用途的变频装置里，开关频率可达到几十kHz。所以，在变频装置中减少开关频率提高时的开关损耗，是一个迫切需要解决的问题，本文重点分析和研究如何降低大功率器件的开关损耗。2降低功率器件开关损耗的途径 传统的硬开关技术变频器在开关切换期间存在着一些问题，图1给出了现在常用的系统构成。图2给出了感性负载下，三相逆变器中U相桥臂功率器件在一个开关周期内典型的电流和电压工作波形。对于由两个功率开关S1和S4构成的一个逆变桥臂来说，当S4开通时，通过感性负载的电流将开始增加。当S4被关断时，感性负载中的电流不可能立刻发生变化，须通过S1上的反并联二极管VD1进行续流。     假设初始电流流过二极管VD1，当S4开通时，负载电流将从VD1转移到S4，但是，二极管VD1却不能立即从正向导通状态恢复到反向阻断状态，相反，在VD1恢复到能承受反向电压之前，VD1中有一个峰值很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流也要流过S4。所以，此时流过S4的电流是负载电流和VD1反向恢复电流之和。而且，此时S4上的电压仍然为直流母线电压。这样，S4开通时，将产生很大的开通损耗。而且将承受很大的电压和电流应力，如果这个应力超过其安全工作区的极限，功率开关器件将永久损坏。另外，当VD1开始承受反向电压时，反向电流减少到零的同时承受一个很高的电压和一个很大的反向电流，因此，反并联二极管也将产生很大的功耗。      当S4被关断时，负载电流转移到二极管VD1中，S4两端的电压慢慢上升到直流母线电压，此时流过S4的电流基本上等于负载电流；当S4中的电流减小到零时，它承受的还是直流母线电压。因此，在S4关断期间也有一个较大的功率损耗。      中等功率和大功率的电压源三相逆变器，常常用到诸如双极型晶体管（BJT），IGBT和门极可关断晶闸管（GTO）等，这是由于这些器件的电流和电压额定值要高于功率场效应晶体管（MOSFET）。然而，这些器件的开关特性相对较差，特别是在硬开关条件下的关断拖尾电流，将产生很大的开关损耗。另外一个开关损耗的来源是功率开关上反并联二极管的反向恢复电流，它将在硬开关条件下引起明显的开通损耗。       在开关过程中存在的另外一个问题是器件上的电压变化率du/dt。在开通时，器件电压下降为零；关断时，开关上的电压在上升到直流母线电压时有一个过冲，典型的开关器件开关时电压变化率>2000V/s，如果考虑到门极驱动时的小电阻，可达到5000V/s。器件两端的寄生电容典型值在210F之间，这个值可以在实验室测量出来。通常情况下由于电压变化率和寄生电容之间的耦合影响，使得器件节点漏电流可以高达50A，这个耦合电容电流在开通时可能和线路电感之间产生振荡，从而导致EMI问题。 在器件两端并联一个电容可明显地缩小器件的关断损耗和关断时的电压变化率，但是，从另外一个方面又明显地增加了器件的开通损耗。图3解释了器件两端并联电容时的开通情况。假定初始条件为负载电流从二极管VD2通过，当S1开通，需要关断VD2，储存在电容Cr1中的能量将通过S1在一个近似于零电阻通道进行放电。当VD2被关断后，电容Cr2将通过S1由直流母线电压对其进行充电，也几乎是一个零电阻通路。二极管反向恢复电流和电容充放电电流典型情况下要远远大于负载电流，从而引起较大的开通损耗。图3(b)给出的波形说明了如果使用反向恢复速度较慢的二极管，则器件开通时的峰值电流将超过负载电流的20倍以上。 VD1D1VD2(a)开通电路示意图  （b）开通波形 图3  开关器件两端并接电容时开通电路示意及波形 硬开关条件下，S1的开通电流is1可以用式（1）来表示，     is1=iLoadiD2(rr)iCr1iCr2    （1） 式中：iD2(rr)为二极管VD2的反向恢复电流。     如此之高的开通电流导致器件的开通损耗和开关噪音大大增加，当主开关器件选用一般的MOSFET时，这种状况将变得更加糟糕。     讨论了硬开关条件下变频器中存在的种种问题之后，采用软开关技术的变频器就是一种逻辑上较好的选择。 3大功率软开关变频器的研究目标   在有关的文献中，对三相变频器在电力传动方面期望实现的有关性能指标进行了如下描述：   1）电机在额定转速运行时效率大于98，在10额定转速运行时效率大于80    对于硬开关变频器来说，当功率器件为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）时，影响效率的主要因素是导通损耗和开关损耗。软开关技术可以消除功率器件的开关损耗，所以，可以使变频器的运行效率达到最大值。2）制造成本< 100元/kW     相对于硬开关技术变频器，虽然软开关技术变频器要额外地增加辅助的谐振电感和用来控制谐振发生和终止的辅助开关（功率器件）以及相关的控制电路，但是，它可以省掉一些元器件（比如每个桥臂上原有的吸收电路及有关的输出滤波装置等）。另外，随着电力电子器件设计和制造技术的发展，电力电子器件的价格也越来越低，所以，对于整个软开关技术变频器来说，其制造成本不会有明显的增加。3）功率密度>100kW/m3(3.53W/cm3) 软开关技术变频器优良特性的最大体现，一是功率器件的开关频率可以大幅度提高，二是开关损耗的大幅度降低。这就意味着功率器件在工作时本身的散热量会大幅度降低，为功率开关而设计的散热器尺寸会大大减小，这样，功率密度肯定会大大提高。      4）du/dt<1kV/s    功率器件上并接的吸收电容能够大大减小功率器件关断时的du/dt，但它并不能消除du/dt，相对于传统的硬开关，1kV/s的电压变化率已经是一个不错的指标了。 5）开关频率>20kHz    功率器件的开关频率指标定为>20kHz，是考虑到音频信号的频率在18kHz以下，当开关频率大于18kHz以后，将不会产生音频噪音。 6）可靠性变频器的可靠性取决于两个方面，一是装置所用元器件的使用寿命，二是电路设计和保护设计的合理性。7）电磁兼容性变频器的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果。电磁兼容性（EMC）包含两个方面的内容，即电磁敏感性（EMS）和电磁干扰（EMI），分别表示变频器抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。针对电磁兼容性的国际和国内标准很多，有些要求设备能够抵抗一定形式和强度的干扰，另一些要求设备产生的干扰强度不能超过一定值。一个EMC合格的产品应该能够同时满足这两方面的要求。变频器是一种能够产生较强宽频带电磁信号的设备，很有可能对其周边设备造成干扰。同时它又是一种比较容易受到干扰的设备，多数电子设备在受到干扰时仅表现为性能的劣化，而变频器，特别是大功率的变频器则不同，一定形式和程度的干扰甚至有可能造成变频器本身的严重损坏。因此，其电磁兼容性更应该引起充分重视。 4通过性能的比较，采用软开关技术的大功率变频器具有以下明显优势1）可以缩小开关损耗功率器件并联电容，明显地减小功率器件的关断损耗。如果能够解决功率器件开通时零电压问题，则会达到提高效率，更好利用器件，减小散热片和冷却器体积的目的。2）可以减小开关时的电压变化率。在软开关技术变频器中，通过增加谐振电感，和吸收电容构成谐振回路，在功率器件开通信号之前，使电容上的能量转移到谐振电感上，电容两端的电压（开关两端的电压）为零，使得功率器件在零电压下开通，避免在开关期间电容的充放电电流和电感电流通过负载，以减小和开关有关的EMI。3）可以大大提高开关频率。软开关技术的实现，开关频率的提高，就能够避免音频噪音，减小转矩和电流的毛刺，提高响应速度。5结语 本文对大功率变频器在硬开关技术条件下的特点，存在问题，研究目标和所要实现的性能指标作了概括性的分析。在针对硬开关条件下大功率变频器中存在的种种问题后，提出解决这些问题的有效措施是在大功率变频器中应用软开关技术。 第一作者简介：梁南丁（1953），男，安徽省肥东人，河南平顶山工业职业技术学院 教授，现主要从事电气控制工程方面的研究。E-mail :www.lnding53915sina.comEditor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.