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

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(jī)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(huì)成比例地上升，使電路效率降低，處理功率的能力減小；另一方面，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)間，在這段時(shí)間里，在開關(guān)管兩端電壓(或電流)減小的同時(shí)，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(diǎn)

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(shí)器件關(guān)斷；當(dāng)電壓降到零時(shí)，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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

輔助二極管變換極逆變器（ADRPI）拓?fù)浣Y(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(shí)的電感L作為能量儲(chǔ)存元件而存在。這個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間由系統(tǒng)的PWM調(diào)制策略所決定。

圖1ADRPI一條變換臂的拓?fù)浣Y(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)椤?”狀態(tài)時(shí)，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?fù)值時(shí)，Q2在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到零時(shí)，二極管Dfw導(dǎo)通，VC2被箍位在零值，iL保持為穩(wěn)定負(fù)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(shí)，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(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)，Q1在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到Vin時(shí)，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Q1?D2?Q2?D1，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(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)才能導(dǎo)通，這意味著同一橋臂的另一開關(guān)此時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)又稱為結(jié)實(shí)型變換橋臂（ruggedinvertleg）。

使用一條結(jié)實(shí)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(dòng)，這種電源可用于兩象限的直流傳動(dòng)控制。使用兩條結(jié)實(shí)型橋臂，可構(gòu)成一單相交流電源，這種逆變器理論上對負(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)。

我們在主電路中使用三條結(jié)實(shí)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(fù)載供電，可用于三相交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

4控制電路和系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

4?1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(jī)為中央單元，與825316位可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器、8155可編程RAM、I/O口擴(kuò)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(shí)間常數(shù)和控制字。8253的三個(gè)計(jì)數(shù)器分別生成HEF4752V所需的fvct、ffct、frct和foct。8155用于擴(kuò)展I/O口，接受控制字，給定各切換點(diǎn)的開關(guān)頻率值。

鑒于本系統(tǒng)對精度要求不高，控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制。利用PWMIC，使控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)較為簡單，而且，本系統(tǒng)具有良好的保護(hù)功能和檢測功能，系統(tǒng)輸出的電壓波形中諧波次數(shù)也很高，極易濾除。

HEF4752共分8個(gè)載波區(qū)段，載波頻率比N=15、21、30、42、60、84、120、168，載波頻率比與輸出頻率的關(guān)系見表1。對應(yīng)每個(gè)載波頻率比區(qū)段，F(xiàn)CT計(jì)數(shù)器送出2N個(gè)δi數(shù)據(jù)供脈寬調(diào)制用。在相同的載波頻率比N下，fvct越高，則調(diào)幅比a越小，使輸出電壓越低。這樣，就得到了經(jīng)雙邊調(diào)制的某相輸出信號(hào)。當(dāng)載波頻率比N與fvct確定以后，一個(gè)周期中調(diào)制值δi的變化規(guī)律也就相應(yīng)確定。

表1載波頻率比與輸出頻率的關(guān)系

輸出頻率f(Hz)	載波頻率比N	開關(guān)頻率fr(Hz)
3.57－5.95	168	600－1000
5.00－8.33	120	600－1000
7.14－11.9	84	600－1000
10.00－16.67	60	600－1000
14.29－23.81	42	600－1000
20.00－33.30	30	600－1000
28.57－47.62	21	600－1000
40.00－66.67	15	600－1000

HEF4752輸出SPWM波的頻率f是由FCT時(shí)鐘計(jì)數(shù)器經(jīng)3360分頻后得到的。而開關(guān)頻率fr則是FCT計(jì)數(shù)器經(jīng)與載波頻率比N的8個(gè)值對應(yīng)的8組分頻器分頻后得到。這8組分頻器分頻數(shù)分別是224（對應(yīng)N=15）、160、112、80、56、40、28、20（對應(yīng)N=168）。必須根據(jù)開關(guān)器件容許的開關(guān)頻率來限制最高開關(guān)頻率frmax。

在頻率比變化點(diǎn)附近，為了避免不穩(wěn)定，設(shè)置了頻率比重疊區(qū)。

IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，對驅(qū)動(dòng)電路的要求比較高，一般有分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和集成化專用驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)采用HL402具有先降柵壓、后軟關(guān)斷的雙重短路保護(hù)功能的芯片。其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。

4?2系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)過程中，本系統(tǒng)采用了如下措施：

（1）HEF4752各端口的連接

HEF4752的三個(gè)時(shí)鐘輸入，由8253的三個(gè)計(jì)數(shù)器輸出，計(jì)數(shù)器的“0”號(hào)輸出端，接到HEF4752的FCT時(shí)鐘輸入端；計(jì)數(shù)器的“1”號(hào)輸出端接到HEF4752V的OCT和RCT時(shí)鐘輸入端；計(jì)數(shù)器的“3”號(hào)輸出端接到HEF4752的VCT時(shí)鐘輸入端。

（2）8253的時(shí)間常數(shù)

8253的計(jì)數(shù)時(shí)鐘為2MHz，得到三個(gè)通道的時(shí)間常數(shù)為

0＃ffct0012H

1＃frct、foct0007H

2＃fvct0008H

在程序中，我們規(guī)定控制方式字如表2所示。

表2控制方式字內(nèi)容

位	狀態(tài)	功能
D0	0	停止工作
	1	啟動(dòng)工作
D1	0	負(fù)序
	1	正序
D2	0	晶體管
	1	晶閘管
D3	0	升頻
	1	降頻
D4	0	申請中斷
	1	不申請中斷

8051從8155讀入控制方式字及輸出頻率，向8253送入相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，按控制方式字提供的控制方式來控制。當(dāng)系統(tǒng)沒有接到中斷信號(hào)的時(shí)候，仍按以前的方式輸出，當(dāng)系統(tǒng)接到中斷信號(hào)時(shí)，8051會(huì)重新讀入控制方式字和給定頻率，改變輸出狀態(tài)。