一種新型軟開關(guān)SRM功率電路及其控制時序

    孟潤泉，王振民，卜慶華

(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原030024)

摘要：為了消除或降低功率變換器中電力電子器件的開關(guān)損耗，抑制開關(guān)過程帶來的電磁干

擾，提出一種軟開關(guān)型開關(guān)磁阻電機(SRM)功率變換器主電路。電路采用并聯(lián)型準諧振直流

環(huán)節(jié)為SlIM相開關(guān)開通提供零電壓條件，給相開關(guān)并聯(lián)電容器則保證了相開關(guān)的零電壓關(guān)斷。在介紹主電路拓撲基礎(chǔ)上，分析了電路的控制時序及工作模式轉(zhuǎn)換，并通過仿真驗證了控制時序的正確性和電路的軟開關(guān)性能。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；開關(guān)磁阻電機；功率變換器；控制時序

0引  言

    由于開關(guān)器件的開關(guān)特性不理想，開關(guān)過程會產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗不僅會降低系統(tǒng)整體效率，導(dǎo)致器件發(fā)熱、壽命縮短甚至燒毀，是造成開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)故障的主要原因。另外為了提高SRD系統(tǒng)的詞速性能，須通過提高變換器中功率器件的開關(guān)頻率達到對繞組電流更精準的控制，但開關(guān)損耗會隨開關(guān)頻率的提高而線性增大^[1-2]，帶來的電磁干擾(EMI)也愈加嚴重。為此，本文將一種并聯(lián)準諧振直流環(huán)節(jié)電路(PQRDCL)引入到SRM功率電路的設(shè)計中^[3]，以期借助軟開關(guān)技術(shù)降低器件的開關(guān)損耗和開關(guān)過程中器件所承受的電應(yīng)力，抑制開關(guān)過程產(chǎn)生的EMI，以進一步提高SRD系統(tǒng)的可靠性，調(diào)速性能和整機效率，并為向高速和大容量方面發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1  電路結(jié)構(gòu)與軟開關(guān)原理

1．1電路結(jié)構(gòu)

    圖1所示為新型軟開關(guān)SRM功率變換器的等效電路，由電源、SRM相繞組驅(qū)動電路及介于兩者之間的零電壓直流環(huán)節(jié)電路三部分組成。電源由三相橋式整流、電容濾波后供出。SRM相繞組驅(qū)動電路采用一種主開關(guān)器件最少型拓撲結(jié)構(gòu)。其中L_a,L_b,L_c,L_d分別為SRM的四相繞組，T₁～T₄是作為相開關(guān)的電力電子器件，分別給它們并聯(lián)了電容c₁～c₄，因電容電壓不能突變，所以能保證T1～T4在任何時刻關(guān)斷均為零電壓軟關(guān)斷。D₁～D₄分別為各相繞組的續(xù)流二極管。零電壓直流環(huán)節(jié)電路采用并聯(lián)型準諧振直流環(huán)節(jié)，由諧振電容CT、諧振電感L_r、輔助開關(guān)管T_s、T_p1,T_p2及二極管D_s，D_p1,D_p2構(gòu)成。PQRDcL具有起振、停振控制容易、電感功耗相對較小等優(yōu)點。

1．2軟開關(guān)原理

    相繞組驅(qū)動電路中上臂兩管T₁、T₂分別由各自的換相邏輯信號和PwM信號相與后控制，而下臂的T₃、T₄僅由換相邏輯控制。功率電路的工作可分為某相繞組電流的斬波和換相兩個過程。

    繞組電流斬渡過程中電路有兩種狀態(tài)，以a相繞組為例：①T₁、T₃均開通，L_a通電；②T₁關(guān)斷，T₃保持通態(tài)，L_a中電流經(jīng)D₁、T₃續(xù)流。當電路從狀態(tài)①向狀態(tài)②轉(zhuǎn)移時，并聯(lián)的電容c₁保證了V₁零電壓軟關(guān)斷；從狀態(tài)②向狀態(tài)①轉(zhuǎn)移時，D₁正處于導(dǎo)通狀態(tài)，PN兩極電壓近似相等，從而使T，集電極與發(fā)射極間電壓近似等于母線電壓，若此時由PQRDcL諧振給母線電壓產(chǎn)生零電壓間隙，則可實現(xiàn)T₁的零電壓開通。

    在換相過程中，因待開通相的電流為零，又于PQRDcL產(chǎn)生諧振槽，迫使母線電壓為零并將相開關(guān)所并電容中的能量釋放，而繞組電感電流又不能突變，所以待開通相的開關(guān)動作屬零電壓兼零電流軟開通。

2諧振控制時序及工作模式分析

    以a相繞組電流斬波過程為例分析電路的控制時序和工作模式。斬渡過程中T₃一直開通，T₁在PwM信號控制下不停地通斷以調(diào)節(jié)L_a中的電流i_a，與此同時，輔助開關(guān)管Ts、T_p1、T_p2受控按照一定時序動作，協(xié)助c_r、L_r完成諧振，給T₁軟開通創(chuàng)造零電壓條件。若將T₁從一次關(guān)斷到下一次關(guān)斷定義為一個斬波周期，圖2所示為一個斬波周期的控制

時序及準諧振波形。圖中，u_g1為T₁觸發(fā)信號，u_gs為T_s觸發(fā)信號，u_gp為T_pl、T_p2的