基于DSP的交流调速系统软开关三相逆变器的应用特性研究与分析

王 宏， 郑远攀， 李红涛， 李贵宝

(1.郑州轻工业学院 建筑环境工程学院， 郑州 450002； 2.郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院， 郑州 450002；3.东方电子股份有限公司， 山东 烟台 264000)

基于DSP的交流调速系统软开关三相逆变器的应用特性研究与分析

王 宏1*， 郑远攀2， 李红涛3， 李贵宝1

(1.郑州轻工业学院 建筑环境工程学院， 郑州 450002； 2.郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院， 郑州 450002；3.东方电子股份有限公司， 山东 烟台 264000)

目前，国内外对于交流调速逆变系统的研究非常活跃，但有关软开关以及DSP(Digital Singnal Processor)技术在三相逆变器中的应用研究却相对有些滞后.死区效应作为三相逆变器的主要特性，为了提高逆变器本身工作的可靠性，不断提高输出电流波形的质量，以辅助二极管变换极逆变器ADRPI(Auxiliary Diode Resonant Pole Inverter)为研究对象，在对其拓扑结构以及工作原理介绍的基础上，深入研究和分析了其死区形成原理、死区时间大小、影响死区时间的主要因素以及死区效应对逆变器的影响等内容，通过建立数学模型、进行仿真以及基于DSP所开展的交流调速相关实验，证明了通过采用ADRPI软开三相逆变器并合理设置其死区时间可以有效减小死区效应对逆变器输出电流质量的影响，为ADRPI软开三相逆变器的进一步实际广泛应用奠定了基础.

交流调速系统； 软开关技术； 逆变器； 死区时间； 死区效应

近年来，随着电力电子技术的快速发展，特别是软开技术较好的解决了交流调速系统逆变器高频化中的开关损耗、开关噪声以及电磁干扰等问题，软开逆变器在工业、国防、民用以及新能源的开发和利用等领域得到了进一步的广泛应用[1-2].当前，软开关技术在逆变器中的应用一直是交流调速当中的研究热点，软开关逆变器的应用研究对于现代交流调速的不断发展起到了巨大的推动作用[3].经过近几十年的发展，软开关逆变器新的拓扑结构层出不穷，但有关其死区效应所涉及的应用研究和特性分析还不够深入.ADRPI作为软开关逆变器当中的一种典型拓扑结构，由于其自身所具有的拓扑结构和工作机理，在实际应用当中，一方面三相桥臂之间不仅具有控制灵活且操作独立以及可较为方便的实现各种PWM调制策略等优点，还能较好的克服普通逆变器特别是DC环节谐振型逆变器电压应力较高的缺点[4]；另一方面，与一般的逆变器不同，其同一桥臂的两个开关管间自然形成的有死区，但是在实际应用当中，其死区的存在以及对逆变器产生的不利影响往往被人们所忽略.所以，本文以ADRPI为研究对象，通过对ADRPI拓扑结构、死区形成机理、死区大小、死区影响因素等方面进行深入分析，建立其数学模型并有针对性的进行系统仿真和实验研究，从而实现对其死区大小的控制以及减小死区效应对逆变器输出的影响.

1 ADRPI拓扑结构及工作过程

辅助二极管变换极逆变器又称为结实型极谐振逆变器(ERPI)，其实质是在缓冲电容与谐振电容分开的准极谐振逆变器基础上，通过各增加一个续流二极管和箝位二极管形成辅助谐振电路，使开关器件在零电压下保持导通，在缓冲电容保护下实现零电流关断，从而尽可能有效的减小开关损耗，真正实现“软开关”[5].该电路具有可靠性高、控制方便等优点，其一条变换桥臂的原理结构图如图1所示，该电路主要包括两个双极性晶体管、VT1、VT2以及与其反并联的两个二极管VD1、VD2，谐振电感L与电容C3和C4则一起构成谐振电路，主要在电路中起到谐振和储能的作用，钳位二极管VD3和续流二极管VD4则分别与C3和C4并联连接，而电容C1和C2的作用则是作为开关器件的无损耗关断缓冲电路[6].

图1 ADRPI原理电路Fig.1 ADRPI schematic circuit

在实际工作中，ADRPI的开关次序依次为VD1→VT1→VD2→VT2，可以有效消除实际电路当中所有主要寄生成分的影响.由图1可知，其变换桥臂的一个工作过程可分为6个时间段[7]：1)输出电压UC4被钳位为零或US时的两个电感电流线性变化段；2)在L与C3和C4之间进行谐振的两个谐振阶段；3)输出电压UC4被钳位为零或US以及电感电流为iL稳定负值或正值所对应的两个稳态阶段，该两段间隔持续的时间主要由系统的PWM调制决定.如图2所示为输出电压UC4和电感电流iL的波形，所以按上述工作原理，ADRPI一条变换桥臂所对应一个周期的工作过程可大致分为10个工作模式[8].

图2 ADRPI负载时的电压电流波形Fig.2 The voltage and current waveform of ADRPI when it is loading

初始时刻假设电路中的VT2和VD4处于导通状态，VT2上流过负载电流I0和电感电流iL，输出电压UC4被钳位为零.当t0时刻时，关断VT2，此时电路进入t0—t1时间段内.其中，第一个时间段为t0—t3，在该时间段内共有3个工作模式，即t0—t1为模式1，t1—t2为模式2，t2—t3为模式3[9].

当模式1的时间tM1=t1-t0，即t0时刻时，关断VT2，电感反向电流使C1放电、C2充电，电感L与电容C1、C2谐振，电感电流iL从负变为零，VD1截止，则VT1在零电压下自然导通.

(1)

(2)

式中，i1为通过C1的电流；i2为通过C2的电流，且有：

i1=iL+i2，C1=C2=C/2.

(3)

初始条件为：

UC1(0)=US，iL(0)=-I1L.

将i1=iL+i2代入式(1)，并将式(2)代入可得：

(4)

对上式两边求导

(5)

解上式可得：

iL=A1coswct+A2sinwct,

(6)

US+Lwc[A1sinwct-A2coswct].

(7)

将初始条件UC1(0)=US，iL(0)=-I1L代入式(6)、式(7)得A1=-I1L，A2=0,最后得到：

iL=-I1Lcosωct,

(8)

UC1=US-I1LZCsinwct,

(9)

由式(8)知，当wct=π/2，iL=0时应有UC1≤0，由式(9)得：

UC1(wct=π/2)=US-I1LZC≤0，

(10)

从而得到：

(11)

(12)

模式1的工作情况是电感反向电流使C1放电，C2充电，模式l结束时uc1=0，则

(13)

tM1=t1-t0=

(14)

同理有：

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2 ADRPI软开关逆变器的死区

2.1ADRPI软开关逆变器的死区形成

由ADRPI拓扑结构可知，其一个桥臂上有上下两个开关器件VT1、VT2，可通过零电压检测电路检测其基极电压是否过零，驱动控制信号则来自与这两个开关器件相连的PWM发生器[10].在ADRPI 逆变器实际工作时，由于其自身结构可通过电路本身而自然形成死区时间，一种情况为VT2由开通到关断与VT1由关断到开通转换时形成的死区Δt1，即对应工作模式1和模式2，另一种情况为由VT1开通到关断与由VT2关断到开通转换时形成的死区Δt2，即对应工作模式6、模式7和模式8，则：

Δt1=tM1+tM2=

(22)

同理，通过同样分析可以得到VT1关断和VT2开通前所形成的死区时间Δt2：

Δt2=tM6+tM7+tM8=

(23)

通过以上两个式子计算出VT1与VT2与导通与关断转换之间的死区时间Δt1和Δt2，所以可以为开关器件创造最为优越的开关环境.

2.2ADRPI软开关逆变器的死区大小及分析

通过以上分析，可以结合具体电路当中实际采用元器件的参数计算出对应的死区时间.假设已知条件同本文前面所假设的条件一样，则可以求得在开关总损耗最小时对应的死区时间，即不考虑实际电路当中开关器件的开关时间，在L=16 μH，C1=C2=0.022 μF，C3=C4=0.2 μF的条件下，可以计算出Δt1=1.8 μs,Δt2=3.9 μs,通过比较可以发现，实际电路所形成的两个死区时间不仅不相等，还相差较大，即Δt2大约是Δt1的两倍，所以元器件的实际参数对死区时间的大小有较大影响.

(24)

(25)

通过以上得到的死区时间变换公式可以得到，死区时间与实际电路中的电感和电容关系较大，其中电感起的作用最大，因此可以通过改变谐振电路当中电感和电容值的大小来控制死区时间的长短[11].

2.3 死区对ADRPI软开关逆变器的影响

一般说来，死区时间主要是为了避免逆变器同一桥臂的上下两个开关管同时导通而引起电路短路，ADRPI软开关逆变器也不例外，只是ADRPI软开关逆变器是由于自身结构而自然形成的死区，但是在实际当中，死区的存在却会造成一系列的影响：逆变器实际输出电流和电压波形出现畸变，增加谐波分量而导致电机损耗增加，相位发生变化以及产生转矩脉动等等.在实际的交流调速系统当中，死区效应对于输出电压的影响主要与载波比、逆变器运行方式、负载功率因数、死区大小及其设置方式等因素有关，所以有必要对逆变器的死区时间进行有效地控制[12-14].

3 仿真与实验

3.1 谐振及死区仿真

由之前ADRPI软开关逆变器的拓扑结构以及其工作时的电路特性可知，通过合理选择谐振参数而自然形成的死区时间对于保证ADRPI软开关逆变器工作的可靠性至关重要[15].为此，如图3所示是通过采用Proteus仿真软件建立的ADRPI软开关逆变器单桥臂仿真模型，初始主要仿真参数为：L1=10 mH，L2=100 mHz,C1=C2=1 μF,C3=C4=20 μF，方弦波频率为1 kH2，负载电阻R=1 Ω，其它具体相关参数如图3所示.

在此基础上并根据电感L1和电容C1参数的变化得到了如图4所示的一组死区仿真结果，通过具体对比可以发现，电路在发生谐振之前都会出现一个较为明显的死区时间，但当增加电容而电感不变时，如图4(a)和图4(b)所示，所形成的死区时间变化不大，但当增加电感而电容不变时，如图4(a)和图4(c)所示，所形成的死区时间增加较大.因此可以看出，当改变电容大小而电感不变时，所形成的死区时间基本不变，当改变电感而电容不变时，所形成的死区时间变化较大，电感比电容对产生的死区时间影响更大，实际当中可以通过选择合适的电感来设置所需的死区时间.

图3 ADRPI软开关逆变器单桥臂仿真模型Fig.3 ADRPI single-phase bridge arm simulation profile

图4 死区仿真结果Fig.4 The simulation waveforms of dead-time

3.2 实验验证

为了进一步深入研究和分析ADRPI软开关逆变器的死区特性在实际应用当中的表现，特别是有关谐振情况、死区时间大小以及其对实际电路输出特性的影响等等，结合实际专门建立了如图5所示的基于DSP的ADRPI软开关逆变器交流调速系统的实验原理框图[16].其中具体设计的ADRPI软开关三相逆变器主电路以及驱动控制电路分别如图6和图7所示[17].在器件以及设备选型时，结合实际特别考虑了集成化、高频化、价格以及适用于中小型逆变调速系统等方面因素，其中选用了美国intersil公司生产的IRFP460型MOSFET管作为逆变电路的开关管，选用TI公司生产的TMS320LF2407A 型DSP作为控制器，选用CHV-100型电压传感器用于开关器件的零电压检测，JT10-C型霍尔磁补偿式电流传感器用于电流检测，电动机则选用4KW的普通三相笼型异步电机，谐振电感采用用细漆包线束绕制的空心电感，采用快速恢复二极管作为反馈二极管，采用常规整流二极管作为续流二极管和钳位二极管[18].

在实际开展实验研究时，在ADRPI软开关三相逆变器主电路以及驱动控制电路设计的基础上，如图6所示是通过示波器得到的ADRPI软开关三相逆变器当中一个开关管在关断后电路产生谐振时采集的一组电压波形，通过对比可以发现在零线附近图6(b)产生的谐振较图6(a)更为明显，与之前的仿真波形相比，基本上能反映该电路在实际工作时的谐振情况，这主要是与ADRPI软开关三相逆变器主电路的特性有关，实际当中也证明了由于图6(b)良好的谐振更能保证开关管在零电压以及零电流情况下的通断，从而真正实现软开关.

如图7所示是在上述实验装置和实验条件下所做的一组对比试验所得到的实验结果，通过对比可以发现：图7(a)采用普通三相逆变器得到的输出电流的波形虽然具有一定的正弦度，但尖峰脉冲较多且较为明显；而图7(b)通过采用ADRPI软开关三相逆变器得到的输出电流波形尖峰脉冲得到了有效抑制且具有较好的正弦度，在实际当中一般可直接用于三相电机的控制且控制效果优良；为了进一步提高ADRPI软开关三相逆变电路输出电流的质量，改善其输出特性，图7(c)则是在多次实验的基础上针对ADRPI软开关三相逆变电路的主回路以及驱动控制电路进行改进(主要包括栅极串接2 Ω左右的防振电阻、栅源极之间接0.1 μF的中和电容，栅源极之间接15 V的快速稳压二极管以及漏源极之间接齐纳二极管等措施)而得到的输出电流波形，具有正弦度高、尖峰脉冲很小且较少，在用于三相电机控制时控制效果很好，因此在交流调速系统电机调速当中，ADRPI软开关三相逆变电路有着很好的应用效果和极为广泛的应用前景.

图5 基于DSP的ADRPI软开关逆变器交流调速系统的实验原理框图Fig.5 The experiment principle diagram of soft-switching inverter in AC drive system based on the DSP

图6 谐振实验波形Fig.6 Experiment waveforms when time resonant

图7 实验波形Fig.7 Experiment waveforms

4 结束语

本文在ADRPI软开关逆变器拓扑结构的基础上，主要就其工作过程、死区自然形成机理、死区时间大小、死区效应的影响等内容进行了深入研究和分析，特别是通过针对ADRPI软开关逆变器进行了系统仿真分析以及实验验证，得到了可以通过选择合适的元器件参数产生较好的谐振并控制死区时间的大小，从而确保真正实现“软开关”并减小死区效应对于逆变器的影响.研究证明，ADRPI是目前交流调速系统当中一种性能较为优良的软开关逆变器，通过采用该逆变器，可以在实际当中进一步提高逆变器的电流输出质量，实现电机的优良控制，所以今后ADRPI软开关逆变器在交流调速系统中的应用前景和价值会更加“深入、广泛、实用和绿色”.

[1] 王兆安. 电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2009．

[2] 刘凤君. 现代逆变技术及应用[M].北京:机械工业出版社，2005．

[3] YU W S， LAI J S， PARK S Y. An improved zero-voltage switching inverter using two coupled magnetics in one resonant pole[J].IEEE Trans on Power Electronics，2010，25(4):952-961．

[4] 王金梅， 贾 周， 师洪涛. 辅助谐振软开关逆变电路的设计与实现[J].武汉大学学报(理工版)， 2010，56(6):667-671．

[5] 王 宏， 吴艳敏， 王子成, 等. 基于软开关技术的交流调速系统逆变电路控制的改进[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版)， 2014，29(4):54-60．

[6] 王 宏. 基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究[D].成都:西华大学，2007．

[7] LI R， MA Z Y， XU D H. A ZVS grid-connected three-phase inverter[J].IEEE Trans on Power Electronics， 2012，27(8):3595-3604．

[8] 褚恩辉， 毋勐漾. 辅助谐振极逆变器缓冲回路能耗最小的改进控制策略[J].中国电机工程学报， 2013，33(12):90-98.

[9] CHU E H， HOU X T， ZHANG H G， et al. A novel soft switching converter with active auxiliary resonant commutation[J].Chinese Journal of Electronics， 2012，21(4):751-755．

[10] 董小杏， 张恕远. 基于辅助二极管谐振极逆变器死区的研究[J].工业控制计算机， 2011，24(7):93～94．

[11] 褚恩辉， 黄 亮， 张化光, 等. 一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器的研究[J].中国电机工程学报， 2015，35(15): 3912-3920.

[12] 倪 超， 陈 斌. 一种逆变器死区效应补偿方法[J].电力电子技术， 2010，44(11):75-77．

[13] 王 宏， 吴艳敏， 崔光照. ADRPI软开关逆变电路实际应用中的关键技术研究[J]. 制造业自动化， 2014，36(7):73-77．

[14] 李 刚， 李 佳. 一种改变逆变器输出电流波形的新方法研究[J].电力电子技术， 2010，44(9):36-38．

[15] 许春雨， 陈国呈， 张瑞斌, 等. 三相软开关逆变器的PWM实现方法[J].中国电机工程学报， 2003，23(8):23-27．

[16] PAN S B， PAN J M， TIAN Z H. A shifted SVPWM method to control DC-link resonant inverters and its FPGA realization[J].IEEE Trans on Industrial Electronics， 2012，59(9): 3383-3391．

[17] 王 宏， 王子成， 崔光照. 一种基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究与设计[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2014 (1):117-120．

[18] 倪 超， 陈 斌. 一种软开关逆变器的设计与应用[J].武汉理工大学学报， 2012，34(2):144-148．

Studyandapplicationofsoft-switchingthree-phaseinverterinACdrivesystembasedontheDSP

WANG Hong1， ZHENG Yuanpan2， LI Hongtao3， LI Guibao1

(1.School of Building Environment Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002;2.School of Computer and Communication Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002;3.Dongfang Electronics Co., Ltd, Yantai, Shandong 264000)

At present, the study of soft-switching inverter technology in AC drive system is quite prevailing, while that on the application of soft-switching technology and DSP (digital singnal processor) technology are comparatively much lagged behind. The dead-time effect is the main characteristics of the three-phase inverter. So in order to improve the reliability of their work and the quality of output current waveform of the inverter, the ADRPI (auxiliary diode resonant pole inverter) is taken as an object to analyze the topology configuration and work principle. Based on these, formation mechanism, size and influencing factors of dead-time are investigated as well as the impact of dead-time effect on soft-switching inverter. Through mathematical model construct, simulation experiments and AC speed regulation based on the DSP, it’s demonstrated that the application of the ADRPI soft-switching three-phase inverter and reasonable configuration of dead-time is able to significantly improve that the quality of output current of inverter. These results provide references for further applying ADRPI soft-switching inverter in practice．

AC drive system; soft-switch technology; inverter; dead-time; dead-time effects

TM464

A

2017-04-21.

国家自然科学基金项目(51404216，51607157)；河南省科技攻关项目(172102210065， 152102310374， 132102210451)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2015GGJS-184)；郑州轻工业学院第五批大学生创新试验项目暨2016年国家级大学生创新创业训练计划项目.

*E-mail: wanghong@zzuli.edu.cn.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.008

1000-1190(2017)05-0600-07