三电平ARCPI软开关逆变器的仿真及试验分析

吕青 闻琦 高嵬

（1. 空军预警学院，武汉430019；2. 92380部队装备部，三亚572000；3.海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

0 概要

辅助谐振环流极逆变电路（Auxiliary Resonant Commuted Pole Inverter－ARCPI）把谐振电路从直流环节移到了逆变桥臂上，因此具有电压和电流应力低的优点；与直流环节谐振型逆变器相比，ARCPI还具有三相桥臂之间操作相互独立、控制灵活、可方便的实现各种PWM调制策略等一系列优点。此外，相对于谐振母线换流电路，ARCPI只在换流时辅助谐振环节才流过电流，大大减少了导通损耗。而其辅助电路的控制和逆变器的PWM控制完全独立，主开关管软开关操作不受负载条件影响，谐振电感和主功率通路分离，容易引入多电平电路等几大优点，很可能成为下一代逆变器更有希望的拓扑结构[1]。

本文基于ARCPI的工作原理和宽幅压输入，建立了宽幅压三电平的ARCPI的仿真模型，并通过试验验证了仿真所得结论，同时通过对比得出三电平ARCPI软开关在抑制3次谐波方面具有显著优势。此外，仿真实验表明，三电平 ARCPI软开关对宽幅压输入情况下开关管上的冲击电流起到了限制作用。

1 辅助谐振环流极逆变电路简介

R.De Doncker 指出：“提高软开关变换器效率的一个重要条件是，谐振电感和谐振极并联而不是串联于主功率通道上[2]”。ARCPI 恰恰具备这样的并联结构，如图 1 所示，C1=C2=C 足够大时，通过一个双向开关将谐振电感和主电路隔离，在逆变桥臂不需要换流时，辅助开关 Sa1、Sa2均关断，Lr中没有电流流过，没有像谐振直流环逆变器（RDCLI）式的通态损耗。

当需要换流时，开通辅助开关管激发谐振电路，为主开关管 S1、S2提供零电压开通条件。假设负载电流 I0一直为图 1 所示方向，且换流瞬间恒定，反方向与此对称不再讨论，输出电压为正记为“P”状态，为负记为“N”状态，可将整个换流过程分为以下三种情况：

图1 ARCPI原理图

（1）P→N，负载电流足够大，称为容性换流，即将从 S1流过电流换至从 VD2流过，无需启动换流极，Cr1、Cr2恒流充放电实现换流。Cr1上的电压不能突变，所以 S1为 ZVS 关断；当 UCr2=0后，S2可以 ZVS开通，因为UCr1+UCr2=Ed，仅以 UCr1为例，其波形图和相平面图见图2换流1；

（2）P→N，负载电流较小，称为 ARCP 辅助容性换流，此时如仍以前面的方式换流，持续的时间就会很长，所以借助辅助谐振极加速换流过程：ZCS 下开通 Sa2，iLr反向增加到 Ith2，ZVS下关断S1，谐振开始，直至 UC=0，VD2导通，iLr线性下降为零，Sa2ZCS 关断，此后可以 ZVS开通 S2，波形图和相平面图见图2换流 2。Ith2之所以不为零，是为了补偿谐振过程中的能量损耗。

（3）N→P，称为 ARCP 换流，即将从 VD2流过电流换至从 S1流过，必须借助辅助谐振极。ZCS 下开通 Sa1，iLr增加到 Ith1(Ith1＞I0)，ZVS 下关断 S2，谐振开始，直至UC=0，VD1导通，ZVS开通 S1，iLr线性下降为零，Sa1ZCS 关断，波形图和相平面图见图2换流3。Ith1＞I0，也是考虑了损耗的影响。

通过对ARCPI原理的分析，不难得出该电路的优点：

（1）谐振电感和主功率通路分离，谐振仅出现在换流期间，导通损耗小。从相平面上看，主开关管电压应力没有增加，电流应力增加约 5%，即Ith1-I0的值。

（2）辅助电路的控制和逆变器的 PWM 控制完全独立，自由设计的空间较大。

（3）主开关管软开关换流不受负载条件影响。

（4）所有的主开关工作于 ZVS，所有的辅助开关工作于 ZCS。

（5）辅助开关承受的电压应力仅为主开关的一半，且电流有效值非常小。

（6）du/dt 完全可控，di/dt 部分可控，EMI较小。

（7）主开关器件电压电流尖峰较小，可以充分利用它的容量，提高装置传输功率的能力。

图2 三种换流过程原理图

但也有如下一些缺陷：

（1）需要精确测量的物理量较多，控制复杂尤其是直接应用于三相逆变器中时。

（2）直流侧电容中点电位的浮动。

（3）谐振损耗需要能量补偿，增加了控制复杂性。

（4）杂散电感引起流入谐振电容的电流不平衡，影响 ZVS 的实现，进而加大了损耗。

（5）辅助二极管反向恢复带来较高的尖峰电压，需要附加抑制电路。

为了进一步研究 ARCP 的性能，文献[3]对比了ARCP 与硬开关(HSW)、有源钳位谐振直流环(ACRDCL)的几项性能指标，见表1。可以看出，ARCP可以工作在更高的频率，THD 较小，损耗更小，效率上也有优势。但作者认为，效率、THD只是衡量ARCP 的一个方面，du/dt、di/dt 和 EMI减小，开关频率的提高，主开关容量的充分利用，易于向多电平扩展等，都是大功率场合 ARCP技术的优势所在。

表1 ARCP与HSW和ACRDCL的性能比较表

2 幅压条件下的 ARCPI软开关逆变器的仿真分析

本文采用 Orcad/Pspice 9.2软件进行仿真分析[4]，具体仿真原理图如图 3所示。其中交流侧各相阻性负载为1Ω，滤波电感为1.5 mH，滤波电容取608 μF；采用理想开关管和反向二极管；输入直流电压范围在175～320 V。了研究参数变化对电路的影响，本文将对各种不同参数分别加以分析，以期从中得出有益的结论。

图3 单相ARCPI原理图

图4 输出电压波形

根据宽幅压输入条件，对 175 VDC输入和320 VDC输入分别进行分析：

当输入直流电压为175 V时，输出电压、开关管冲击电流波形如图4、图5所示。

当输入直流电压为320 V时，输出电压、开关管冲击电流波形如图6-7所示。

由此可见，尽管直流电压波动范围在175～320 V，但是开关管上的冲击电流却在3.5～9 A的范围内变动，在选取合适的开关管后即可保证其正常运行而不会受到损害。

图5 开关管冲击电流波形

图6 输出电压波形图

图7 开关管冲击电流波形

值得关注的是，当直流电压取最小值175 V时，交流输出电压幅值为175 V左右；当直流电压取最大值为320 V时，交流输出电压幅值为320 V，也就是说，三电平拓扑的ARCPI逆变器电路在宽幅压输入条件下其输出电压不能稳定在某一小范围内，但是该电路相对于普通逆变器而言能够输出品质较高的交流量，如果结合适合的DC/DC或AC/AC电路，可以使交流输出稳定在既定的电压附近。文献[5]中详细介绍了一种DC/DC电路，如果在直流输入侧加入这种电路，理论上可获得稳定的交流输出。

3 基于宽幅压条件下的 ARCPI软开关逆变器的试验研究

根据仿真的分析结果，搭建试验平台进行试验。

实验原理图参考图3，最终选取电路中Lr=12 μF，Cr1= Cr2=0.1 μF，Cr3=200 μF，。试验输出波形如图8、图9所示。

图8 实验输出电压波形

图9 实验输出电压滤波后的波形

图8左图为输入直流电压175 V时输出点对中点的电压，右图为输入直流电压300 V时输出点对地的电压。对比仿真波形图4、图6，实验输出的电压波形同仿真波形基本符合，仿真图形中电压波形存在波动，而在实验中却没有出现这一问题，这是由于实验所采用的电源是整流后的直流电源，而仿真采用的是理想直流电压源。

图10 输出电压的谐波分析

图9为滤波后输出电压，其中左图为直流输入175 V时的输出电压，右图为直流输入300 V时的输出电压。

图10是输出电压的谐波分析，从图中可以看出，由于设定实验频率为167 Hz，可以看出，三电平拓扑可以消除 3n次谐波（n≥1），此外，还剩余 2、4、5、7次谐波。由幅频特性的公式A=20lgG，有 A1≈30 dB=20lgG1，A2= A4≈7.5 dB=20lgG2，A3= A6=0，A5=15 dB=20lgG5， A7=13 dB=20lgG7；从中可以看出，，也就是说，整个谐波占基波的百分比很小，可以忽略不计。

4 结论

宽幅压条件下三电平 ARCPI软开关逆变器结构电路，经仿真和试验验证，具有谐波含量小，电压和电流应力小等优势，对研制适合宽幅压输入的大功率逆变器具有一定参考价值。

[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]韩英铎, 王仲鸿, 林孔兴等. 电力系统中的三项前沿课题—柔性输电技术, 智能控制, 基于 GPS的动态安全分析与监测系统[J]. 清华大学学报(自然科学版), 1997, 37(7)： 1-6.

[4]陈建业. 电力电子电路的计算机仿真[M]. 北京： 清华大学出版社, 2003.

[5]童正军. 基于宽幅压的ZVT-PWM CUK直流变换器研究[D]. 武汉： 海军工程大学, 2006.