零电压零电流PWM半桥三电平逆变式充电机的研究

＜电气开关）（２０１１．Ｎｏ．４）　文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１１）０４—００４８—０４　零电压零电流ＰＷＭ半桥　三电平逆变式充电机的研究　王海，朱恩玉，王春艳　（沈阳广角成套电器股份有限公司，辽宁　沈阳　１１００４５）　摘要：介绍了一种零电压零电流开关（ｚｖｚｃｓ）ＤＣ／ＤＣ　ＦＷＭ三电平变换器，它通过在超前开关管上并联电容来　实现零电压开关（ｚｖｓ），在高频变压器初级回路串联阻断电容，滞后开关管串联二极管，实现滞后开关管的零电　流开关（ｚｃｓ）。用飞跨电容将超前开关管、滞后开关管开关过程连接起来，实现三电平直流变换。采用移相控　制，移相控制由集成电电路ＵＣ３８７９来实现。用该方法设计了一台３００Ｖ／１００Ａ充电机，实验表明，超前管实现了　ＺＶＳ，滞后管实现了ＺＣＳ，满载效率可以达到９３．２％。　关键词：三电平变换器／零电压开关；零电流开关；移相控制　中图分类号：　ｒＮ６２４　文献标识码：Ｂ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｚｅｒｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　Ｚｅｒｏ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ＰＷＭ　Ｈａｌｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔｅｄ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｈａｌ，ＺＨＵ　Ｅｎ—ｙｕ，ＷＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｙａｈ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｇｕａｎｇｊｉａｏ　Ｃｏｍｐｌｅｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００４５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｚｅｒｏｓ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ＰＷＭ　ｈａｌｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｔｈｒｅｅ・ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｎｔｅｒ．Ｉｔ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｈｕｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｅ．Ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｗｉｎｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｈｉｓｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｔｏ　ｂｌｏｃｋ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ．１ａｇ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｌｅ　ｗｉｈ　ｔｔｈｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｄｉｏｄｅ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｈｅ　ｌｔａｇｇｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｌｅ．Ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｅ　ｗｉｔｈ　ｈｅ　ｌｔａｇｇｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｅ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｔｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅ—　ｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ＵＣ３８７９．Ａ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　３００Ｖ／１００Ａ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ＺＶＳ．ｔｈｅ　ｌａｇｇｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｕｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ＺＣＳ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔａｌｌ　ｌｏａｄ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｃ８ＩＩ　ｒｅａｃｈ　９３．２％．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　引言　传统煤矿蓄电池电机车用隔爆型充电机大都采用　晶闸管整流式直流电源，存在体积大、重量重、效率低、　可靠性差等缺点。为解决上述问题，我们开发了逆变　减小开关管的开关损耗，要求实现开关管的软开通和　软关断。　逆变式充电机由于是高输入（６６０Ｖ交流电压，有　时可达７５０Ｖ）／高输出（３００Ｖ／１００Ａ）功率变换场合，开　关管承受电压应力较大，而高压ＩＧＢＴ的价格较高，因　式充电机，主电路采用半桥变换器，逆变频率为　ｌＯｋＨｚ，额定充电电流为１００Ａ，额定充电电压为３００Ｖ，　效率达到了９０．５％。由于输出功率大，开关频率高，　开关管损耗较大，而充电机为隔爆型结构，散热比较困　难。采用热管技术虽可解决问题，但成本较高。为了　此将三电平逆变器技术应用于充电机中，具有降低开　关管的电压应力、减小输入、输出滤波器等优点，实现　开关管的软开通的软关断。　２三电平逆变式充电机电路结构　三电平逆变式充电机的原理框图如图ｌ所示。　＜电气开关）（２０１１．Ｎｏ．４）　图１　三电平逆变式充电机原理方框图　三相６６０Ｖ、５０Ｈｚ交流电经过三相全桥整流、滤波　后变换为直流电，直流电压经过ＺＶＺＣＳＰＷＭ半桥三电　平变换器变换为频率　＝１０ｋＨｚ的交流方波，经中频　变压器耦合，通过输出整流器整流成直流电，经输出电　抗器滤波后变为平滑直流电供充电使用。保护电路中　设计了过压、过流、过热等保护，防止开关管损坏。　３　ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ半桥三电平变换器原理　图２为ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ半桥三电平变换器的主电路。　庸Ｉ　　‘　：　ｚｌＤ－　Ｉ【　．　。一—＿　ｊ　凰ｌ　．’＿ｔ　一’　ｌ　Ｄ　：　ｃ｛Ｄ　ｊ　至ｌ，’　图２　ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ三电平变换器主电路　图中，Ｃ　，和Ｃ　为半桥桥臂电容，容量相等，它们　的电压均为输人电压的一半，即Ｖｄ　＝　＝Ｖｉ　／２。￡。　是高频变压器原边漏感，Ｄ　和Ｄ。为续流二极管，Ｑ。　和Ｑ　为超前管，Ｑ：和ｑ，为滞后管，Ｃ。和Ｃ。为超前　管并联电容，Ｃ，、ｃ４和　一起实现超前管Ｑ　Ｑ　的　ＺＶＳ。ｃ　为飞跨电容，分别将两只超前管和两只滞后　管的开关过程连接起来。Ｃ　是阻断电容，它使中频变　压器原边电流ｉ。，在零状态时减小到零，三极管Ｄ，和　Ｄ。用于防止ｉ。减小到零后反方向流动，从而实现滞后　管Ｑ　和Ｑ　的ＺＣＳ。　图３示出ＺＶＺＣＳＰＷＭ半桥三电平变换器的一个　开关周期的工作波形。　变换器在一个开关周期中有１Ｏ种开关模态：　（１）开关模态０［ｔ。时刻］。在ｔ。时刻Ｑ　和Ｑ　导　通，　＝　／２，原边电流给阻断电容Ｃ　充电。原边电　流Ｉｐｏ＝ｌｏ／ｋ，其中，０为输出充电电流，　为高频变压器　原副边匝比。　（２）开关模式１［ｔ。，ｔ　］。ｔ。时刻关断Ｑ。，ｉ。给Ｃ。　充电，同时通过Ｃ　给　放电，由于有Ｃ。、　，Ｑ。是零　４９　电压关断。　时刻，续流二极管Ｄ　导通。　Ｑ．　１　ｌＩ　ｌｌ　Ｑ．　１　ｌｌ　ｌ｝Ｏ．　１　；　【Ｉ¨　ｌ　Ｉ　；；　；　ｉ　ｉ　Ｉｌｌｉ　ｑ　ｌ　｝ｌｌＩｉ　Ｑ｜　ｌ　１　＾　｛　ｔ．　　．，　Ｉ　ｉｌ　１　２　ｑ　、ｆ．　Ｉ　ｉ　ｌ　｛　；　＋　—ｌ　－ｔ　—　一，ｌｌ　ｌｌ　　Ｉ　：：：士　ｌ　一　—　ｌ　，Ｊ．，／Ｋ　图３　ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ半桥三电平变换器主要波形图　（３）开关模式２［ｔ　，ｔ　］。Ｄ　导通后，Ｃ　的电压被　箝在０，因此可以零电压开通Ｑ　。　（４）开关模式３［ｔ：，ｔ。］。开关模式３中，ｉ　＝０，　Ｂ　＝　，此时Ｑ　中没有电流流过，因此ｑ：是零电流关　断。（５）开关模式４［ｔ，，￡　］。ｔ，时刻，开通Ｑ，，由于漏　感存在，ｉ。不能突变Ｑ，近似为零电流开通。　（６）开关模式５［ｔ　，ｔ　］。从ｆ　时刻开始，原边为　负载提供能量，同时给阻断电容Ｃ　反向充电。阻断电　容上的电压为下一次Ｑ，零电流关断和ｑ　零电流开通　做准备。在ｔ　时刻，关断ｑ　，开始［ｔ　，ｔ　。］的另一个半　周期，其工作情况类似前面描述的［　，ｔ　］。　４移相控制　逆变式充电机为了降低ＩＧＢＴ的开关应力，应用　三电平技术，提出了ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ半桥三电平逆变器，　这实质上是移相谐振式软开关电路。在图１中，Ｑ　和　ｑ　是超前管，ｑ　和Ｑ，是滞后管，通过调节超前管和　滞后管导通的相位差来调节输出功率。移相控制选用　移相谐振全桥变换控制器ＵＣ３８７９作为控制芯片。　ＵＣ３８７９应用电路如图４所示。　图４　ＵＣ３８７９应用电路图　（１）　＝　＝Ｖｏｖ５ＥＬ＝１５Ｖ。　＜电气开关＞（２０１１．Ｎｏ．４）　（２）振荡频率ｆ＝４／ＲＴＣＴ＝４／（Ｒ，∞＋　。　）　Ｃ　∞，　设置／＝ｌＯｋＨｚ。由于本电源模块采用电压控制方式，　因此ＲＡＭＰ引脚直接与Ｃ　脚相接。　（３）电流反馈环节电流调节器是利用ＵＣ３８７９内　误差放大器进行的。该误差放大器的同相输人端在芯　ｎ　一　＾　……酬　…　目…～动作　‘　Ｉ　…—　—　疆霆丽圜　一—～　…　一　一…　～　￡　＿　＿－●＿●－＿　＿一　…、格式　　衄　善千　＝＝＝　　—１　Ｉ．—ｈ．　；，　　咔一—一　Ｊ　１－　ｆ　１２１　膝　片内固定为２．５Ｖ，作为电流给定的基准信号。给定电　流信号ｕｇ与霍尔传感器检测到的电流反馈信号ｕｆ经　过运算后得到控制电压　，　送到误差放大器的反向　ｆ　一；—　ｊ　Ｌ０Ｊ　’—一　Ｌ选择　—　文件夹　储存　ＴＥＫ伽崛．Ｂｆ　ｈ　Ｍ　２５，０ｍ　～　输人端ＥＡ一，误差放大器输出端ＣＯＭＰ电平调节移相　角的大小。电阻和电容跨接在反向输入端和ＣＯＭＰ　端之间，作为补偿网络，实质上是一个比例积分（ＰＩ）　调节器。　（４）保护电路为了保护主功率管不致过流、过热、　过压而损坏，将各保护信号经过或运算后引到ＵＣ３８７９　的电流检测端ＣＳ实现保护。　（５）软起动电路软起动引脚接３．３　Ｆ电容，以保　证有充足的软起动时间，　引脚产生一个精确度很　高的５Ｖ电压基准信号。　（６）时间延迟电路超前管Ｑ，和ｑ　的死区时间由　接在ＤＬＹＣ—Ｄ引脚的电阻电容决定。决定超前管死　区时间的因素有两个：①超前管实现零电压的范围；②　受初级最大占空比的限制。滞后管Ｑ２和Ｑ，的死区时　间由接在ＤＬＹＡ—Ｂ引脚的电阻电容来决定，滞后管　的死区时间取决ＩＧＢＴ的少数载流子的复合时间。　５实验结果　利用ＺＶＺＣＳＰＷＭ半桥三电平变换器，研制了一台　３００Ｖ／１０ｏＡ的充电机样机，用于煤矿蓄电池电机车充　电。其主要技术指标为。：Ｖｉ　＝６６０Ｖ／５０Ｈｚ，电压波动范　围为±１５％；额定充电电压Ｕｏ＝３００Ｖ；额定充电电流　，０＝１００Ａ；开关频率为１０ｋＨｚ。　元件选择：Ｑｌ—ｑ　为ＦＦ３０ＯＲ１２ＫＴ４，Ｄ５一Ｄ８为　Ｍ＿ＺＣ２００ＴＳ１２０Ｓ，Ｄ９一Ｄｍ为ＡＰＴＤＦ４００ＫＫ１２０Ｇ，Ｄ】ｌ—　Ｄｌ２为ＡｍＦ４００ＡＡｌ２ＯＧ，中频变压器铁芯为２只　ＯＮＬ１６５１１５０５０纳米晶铁芯，变压器变比为１．１：１。　图５示出了ＵＣ３８７９输出的移相控制信号波形。　ＵＣ３８７９输出４路移相控制信号：ＯＵＴ—Ａ，ＯＵＴ—　Ｂ。ＯＵＴ—Ｃ，ＯＵＴ—Ｄ。波形图中：波形ｌ为ＯＵＴ—Ｄ，　对应驱动Ｑｌ；波形２为ＯＵＴ—Ａ，对应驱动ｑ２；波形３　为ＯＵＴ—Ｂ，对应驱动Ｑ，；波形４为ＯＵＴ—Ｃ，对应驱　动ｑ　；ＵＣ３８７９输出的移相控制信号通过集成驱动电　路Ｍ５７９６２Ｋ，驱动ＩＧＢＴ：Ｑｌ—Ｑ　。　图６、图７示出超前管Ｑ４在不同负载时的开关波形。　ＣＨ３　１０　Ｏ　ＬＨ４　１【ＩＯ　３０一Ｎｏｖ－ｌＯ　１０：５５　。　、　图５　ＵＣ３８７９移相控制波形　…　……动作！　—　…动作　………　甚圉蕊；…一　一　幽　　’　：＊于　墨　～¨－…　一一；Ｈ一　墨　’　关于　…　～…　—　’存圈德，…一　—一糊假　造择　ｒ　ｒ■　选择　・＿－ｆ　——　１ｎ帕ｍ　！、－－一　寸…　—一　Ｔ删嘲■●　曩≥　’　篮　０ｊ　图６超前管Ｑ４（Ｖｏ＝６２．５、图７超前管Ｑ４（ｕｏ＝２４７Ｖ、　，０＝２０Ａ）开关波形　，０＝８０Ａ）开关波形　其中波形１为Ｑ　的ＶＧＥ波形，波形２为Ｑ　的　Ｖ　波形，波形３为中频变压器初级电流ｉ。波形。图　中可见驱动信号　升至１５Ｖ前，　＝０Ｖ，所以　为　ＺＶＳ开通。当驱动信号　降至ＯＶ后，　才升至高　电压，所以Ｑ　为ＺＶＳ关断。　图８、图９示出滞后管Ｑ３在不同负载时的开关波形。　其中波形１为Ｑ，的驱动信号　，当　升至１５Ｖ　时，波形２即Ｑ　的　＝０Ｖ，此时波形３即中频变压　器初级电流ｉ。＝０，所以Ｑ３是ＺＣＳ开通。当Ｑ３的　Ｅ　降至０前，　＝ＯＶ，ｉ　＝Ｏ，所以ｑ３是ＺＣＳ关断。　～一　。　—　嚣　圆　…‘哪　…　…　…　‘格　啊　夫千　，　一　一存圉傻　选择　“、—　Ｖ　｛｝ｔ∞　ｌ　．　图８滞后管Ｑ　（ｕｏ＝６１Ｖ、图９滞后管Ｑ３（　＝３０８Ｖ、　，０＝２０Ａ）开关波形　，０＝１００Ａ）开关波形　实验样机在　＝３０７Ｖ，，０＝１００Ａ满载时，效率达　到了叼＝９３．２％。　６结论　实验表明，ＺＶＺＣＳ　ＰＷＭ半桥三电平逆变式充电　机的研制，实现了主开关管的零电压和零电流开关，而　且零电压零电流开关范围较大。软开关的实现降低了　（下转第５３页）　＜电气开关＞（２０１１．Ｎｏ．４）　５３　行了仿真。仿真参数３／￣：Ｒ　：Ｏ．２１２，Ｌｄ＝Ｌ　＝０．００８５Ｈ，　＝，子电流接近于正弦波。　Ｏ．１７５Ｗｂ，ｎ　＝４，Ｂ＝Ｏ，．，＝Ｏ．０８９ｋｇ・ｍ　。　（３）在０．８ｓ时，系统突然减负载运行，从１０Ｎ・ｍ　减到４Ｎ・ｍ，在１．４ｓ时，负载又增至１０Ｎ・ｍ，在这过　程中，电磁转矩反应很快，能够迅速跟踪负载转矩；定　子电流随负载变化而快速响应，并迅速达到稳态，系统　的动态性能良好；电机转速基本没有波动，说明系统抗　Ａ　图２永磁同步电机空间矢量图　给定转子速度为３００ｒ／ｍｉｎ，电机带１０Ｎ・ｍ的负　载启动。在０．８ｓ时，系统突然减负载运行，从１０Ｎ・ｍ　减到４Ｎ・Ｉｎ，在１．４ｓ时，负载又增至１０Ｎ・ｍ。仿真结　果如图３所示。　３　从图３的仿真图可以看出：　（１）永磁同步电机矢量控制系统启动速度较快，　转速平稳上升，在０．３７ｓ时，转子转速达到给定值　３００ｒ／ｍｉｎ，系统趋于稳定，在启动过程中，启动转矩和　启动电流较大。　（２）电机带１０Ｎ・ｍ的负载启动，在０．３７ｓ后稳定　运行，电磁转矩在１０Ｎ・ｍ上下波动，转矩波动小。定　干扰能力强。　５　结论　在分析永磁同步电机数学模型及矢量控制原理的　基础上，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下建立了永磁同　步电机矢量控制系统的仿真模型，仿真结果表明当系　统的给定负载变化时，系统能对负载进行很好的跟踪　控制，具有较强的鲁棒性。　＝０控制方法的最大优点是电机的输出转矩与　定子电流的幅值成正比。其性能类似于直流电机，控　制简单，无去磁作用，因此得到了广泛应用。　参考文献　［１］蔡祺祥．交流永磁同步电机位置伺服系统的研究［Ｄ］．南京航空　航天大学，２００９：２．　［２］　何继爱，王惠琴．永磁同步电机空问矢量控制系统的仿真［Ｊ】．电　力系统及其自动化学报，２００５。１７（６）：１２．　［３］　冯晓云．电力牵引交流传动及其控制系统［Ｍ］．高等教育出版社，　２００９：１２．　Ｅ４］孙环阳，黄筱调．洪荣晶，等．永磁同步电机矢量控制系统的仿真　研究ｆ　Ｊ］．机械设计与制造，２０１０，３（３）．　收稿日期：２０１１—０４—２５　作者简介：蒋家强（１９７９一】。男。安徽亳州人。西安交通大学硕士。从事工业系统　故障诊断的研究；　曹建福（１９６３一），男．陕西宝鸡人。教授．从事先进机器人控制、工业系　统故障诊断与非线性系统理论等研究。　（上接第５０页）　开关管的开关损耗，中频变压器初级的导通损耗也大　大减小，没有大的附加环流使得充电机效率得到提高。　这些特点使得该电路在高电压输入、大功率输出方面　有突出的优点。采用移相谐振控制器ＵＣ３８７９，使得充　电机控制简单、方便、外围元件少，且具有软起动、逐周　限流和完善的保护功能。　参考文献　［１］　阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术［Ｍ］．北京：科学出　版杜．２０００．　［２］　张之粱．阮新渡．零电压开关ＰＷＭ全桥三电平变换器［Ｊ】．中国　电机工程学报，２００５，２５（１６）：１７—２２．　［３］　陆治国．实用电源技术手册开关电源分册［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技　术出版社．２００８．　收稿日期：２０１１—０６—２８