基于軟開關(guān)技術(shù)的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

1引言

PWM(脈寬調(diào)制)功率變換技術(shù)省去了龐大笨重的工頻變壓器，減小了裝置的體積重量，提高了電源的功率密度與整機效率。然而，在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的PWM變換器，隨著開關(guān)頻率的上升，一方面開關(guān)管的開關(guān)損耗會成比例地上升，使電路效率降低，處理功率的能力減??；另一方面，會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾(EMI)。

由于功率開關(guān)管并不是理想開關(guān)，開通和關(guān)斷都需要一定時間，在這段時間里，在開關(guān)管兩端電壓(或電流)減小的同時，通過的電流(或電壓)上升，形成電壓和電流波形的交疊，從而產(chǎn)生了開關(guān)損耗。本文介紹一種采用軟開關(guān)技術(shù)的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，使開關(guān)損耗大幅減小。

2軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點

所謂軟開關(guān)通常是指零電壓開關(guān)ZVS(zerovoltageswitching)和零電流開關(guān)ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)。

硬開關(guān)過程是通過突變的開關(guān)過程中斷功率流完成能量的變換過程；而軟開關(guān)過程是通過電感L和電容C的諧振，使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時器件關(guān)斷；當(dāng)電壓降到零時，器件導(dǎo)通。開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷的過程，使器件的開關(guān)損耗理論上為零。

軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，在理論上使開關(guān)管的開關(guān)損耗為零，從而可以使開關(guān)頻率進一步提高，使電力電子變換器具有更高的效率，更高的功率密度，體積、重量大大減小，具有更高的可靠性；并可有效地減小電能變換裝置引起的電磁污染(EMI)和環(huán)境污染(噪聲等)。

3ADRPI變換橋臂的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

輔助二極管變換極逆變器（ADRPI）拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。若定義電路中Q1導(dǎo)通、Q2截止為“1”狀態(tài)，而Q2導(dǎo)通、Q1截止為“0”狀態(tài)，則這種變換橋臂的基本工作原理是：

（1）設(shè)電路的初始狀態(tài)為“1”狀態(tài)，即Q1導(dǎo)通、Q2截止，極電壓VC2由于箝位二極管Dc的作用被箝位在電源電壓Vin，電感電流iL為穩(wěn)定正值，電感電壓VL等于零，這時的電感L作為能量儲存元件而存在。這個狀態(tài)的持續(xù)時間由系統(tǒng)的PWM調(diào)制策略所決定。

圖1ADRPI一條變換臂的拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2系統(tǒng)控制電路原理圖

（2）當(dāng)電路需從“1”狀態(tài)變?yōu)?ldquo;0”狀態(tài)時，在緩沖電容CC1的作用下關(guān)斷Q1，電感電流iL通過二極管D2續(xù)流，電感L與電容C2諧振。當(dāng)iL由正值變?yōu)樨撝禃r，Q2在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到零時，二極管Dfw導(dǎo)通，VC2被箍位在零值，iL保持為穩(wěn)定負值，VL為零，電路保持在“0”狀態(tài)。

（3）當(dāng)PWM調(diào)制要求電路從“0”狀態(tài)變回到“1”狀態(tài)時，在緩沖電容CC2的作用下關(guān)斷Q2，iL通過二極管D1續(xù)流，L與電容C1諧振。當(dāng)iL由負值變?yōu)檎禃r，Q1在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到Vin時，二極管Dc導(dǎo)通，VC2被箝位到電源電壓Vin，iL保持為穩(wěn)定正值，VL為零，電路回到“1”狀態(tài)。

從以上ADRPI變換橋臂的工作過程可看出，開關(guān)次序Q1D2Q2D1，給所有開關(guān)器件提供了最優(yōu)越的開關(guān)環(huán)境。在Q1、Q2的導(dǎo)通過程中，通過帶有零電壓檢測的基極驅(qū)動電路檢測橫跨開關(guān)器件兩端的電壓，以保證當(dāng)二極管D1或D2停止導(dǎo)電后，Q1或Q2迅速自然導(dǎo)通，這樣就基本上消除了器件的導(dǎo)通損耗。而且在這個過程中并不需要使用快速二極管，二極管D1、D2在通過其上的電流為零后自然關(guān)斷。Q1、Q2的關(guān)斷過程是在緩沖電容CC1、CC2的作用下完成的。在Q1、Q2關(guān)斷的瞬間，其上電壓為零，而后，其上的dv/dt將受到CC1、CC2的限制，這樣就完全排除了在關(guān)斷過程中大電流和高電壓同時存在的可能，從而極大地減少了關(guān)斷損耗。二極管Dfw和Dc也具有非常良好的工作環(huán)境，其上的dv/dt被諧振電容所限制，而關(guān)斷時的di/dt又被電感L所限制。

在這種零電壓開關(guān)模式下工作的大功率開關(guān)管，只有在橫跨其兩端電壓為零時才能導(dǎo)通，這意味著同一橋臂的另一開關(guān)此時承受著全部電壓，即已經(jīng)關(guān)斷。因此這種技術(shù)從根本上排除了由于直通而造成電源短路的可能，使逆變橋臂的工作具有很高的可靠性。圖1所示拓撲結(jié)構(gòu)又稱為結(jié)實型變換橋臂（ruggedinvertleg）。

使用一條結(jié)實型橋臂，可使穩(wěn)定的直流電源變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的直流電源，輸出電壓隨著占空比的變化從零電壓變化到電源電壓，并且允許功率反向流動，這種電源可用于兩象限的直流傳動控制。使用兩條結(jié)實型橋臂，可構(gòu)成一單相交流電源，這種逆變器理論上對負載功率因數(shù)沒有任何限制，因此可用于不間斷電源或單相交流傳動控制系統(tǒng)。

我們在主電路中使用三條結(jié)實型橋臂構(gòu)成三相交流逆變器，這種逆變器可對具有任意功率因數(shù)的三相不平衡負載供電，可用于三相交流傳動控制系統(tǒng)。

4控制電路和系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計

41系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路如圖2所示。

系統(tǒng)控制電路以8051單片機為中央單元，與825316位可編程計數(shù)/定時器、8155可編程RAM、I/O口擴展芯片及EPROM等組成HEF4752V的支持電路。

8051主要完成控制工作，向8253送時間常數(shù)和控制字。8253的三個計數(shù)器分別生成HEF4752V所需的fvct、ffct、frct和foct。8155用于擴展I/O口，接受控制字，給定各切換點的開關(guān)頻率值。