基于软开关技术的PWM变频调速系统

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1引言
　　PWM(脉宽调制)功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器，减小了装置的体积重量，提高了电源的功率密度与整机效率。然而，在硬开关状态下工作的PWM变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成比例地上升，使电路效率降低，处理功率的能力减小；另一方面，会产生严重的电磁干扰(EMI)。
　　由于功率开关管并不是理想开关，开通和关断都需要一定时间，在这段时间里，在开关管两端电压(或电流)减小的同时，通过的电流(或电压)上升，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。本文介绍一种采用软开关技术的PWM变频调速系统，使开关损耗大幅减小。
　　2软开关技术的优点
　　所谓软开关通常是指零电压开关ZVS(zerovoltageswitching)和零电流开关ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零电压开关与零电流开关。
　　硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程；而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时器件关断；当电压降到零时，器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，使器件的开关损耗理论上为零。
　　软开关技术的应用，在理论上使开关管的开关损耗为零，从而可以使开关频率进一步提高，使电力电子变换器具有更高的效率，更高的功率密度，体积、重量大大减小，具有更高的可靠性；并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污染(EMI)和环境污染(噪声等)。
　　3ADRPI变换桥臂的拓扑结构及工作原理
　　辅助二极管变换极逆变器（ADRPI）拓扑结构见图1。若定义电路中Q1导通、Q2截止为“1”状态，而Q2导通、Q1截止为“0”状态，则这种变换桥臂的基本工作原理是：

图1 ADRPI一条变换臂的拓扑结构图
　　（1）设电路的初始状态为“1”状态，即Q1导通、Q2截止，极电压VC2由于箝位二极管Dc的作用被箝位在电源电压Vin，电感电流iL为稳定正值，电感电压VL等于零，这时的电感L作为能量储存元件而存在。这个状态的持续时间由系统的PWM调制策略所决定。
　　（2）当电路需从“1”状态变为“0”状态时，在缓冲电容CC1的作用下关断Q1，电感电流iL通过二极管D2续流，电感L与电容C2谐振。当iL由正值变为负值时，Q2在零电压条件下自然导通。当VC2谐振到零时，二极管Dfw导通，VC2被箍位在零值，iL保持为稳定负值，VL为零，电路保持在“0”状态。
　　（3）当PWM调制要求电路从“0”状态变回到“1”状态时，在缓冲电容CC2的作用下关断Q2，iL通过二极管D1续流，L与电容C1谐振。当iL由负值变为正值时，Q1在零电压条件下自然导通。当VC2谐振到Vin时，二极管Dc导通，VC2被箝位到电源电压Vin，iL保持为稳定正值，VL为零，电路回到“1”状态。
　　从以上ADRPI变换桥臂的工作过程可看出，开关次序Q1D2Q2D1，给所有开关器件提供了最优越的开关环境。在Q1、Q2的导通过程中，通过带有零电压检测的基极驱动电路检测横跨开关器件两端的电压，以保证当二极管D1或D2停止导电后，Q1或Q2迅速自然导通，这样就基本上消除了器件的导通损耗。而且在这个过程中并不需要使用快速二极管，二极管D1、D2在通过其上的电流为零后自然关断。Q1、Q2的关断过程是在缓冲电容CC1、CC2的作用下完成的。在Q1、Q2关断的瞬间，其上电压为零，而后，其上的dv/dt将受到CC1、CC2的限制，这样就完全排除了在关断过程中大电流和高电压同时存在的可能，从而极大地减少了关断损耗。二极管Dfw和Dc也具有非常良好的工作环境，其上的dv/dt被谐振电容所限制，而关断时的di/dt又被电感L所限制。
　　在这种零电压开关模式下工作的大功率开关管，只有在横跨其两端电压为零时才能导通，这意味着同一桥臂的另一开关此时承受着全部电压，即已经关断。因此这种技术从根本上排除了由于直通而造成电源短路的可能，使逆变桥臂的工作具有很高的可靠性。图1所示拓扑结构又称为结实型变换桥臂（ruggedinvertleg）。
　　使用一条结实型桥臂，可使稳定的直流电源变为可调节的直流电源，输出电压随着占空比的变化从零电压变化到电源电压，并且允许功率反向流动，这种电源可用于两象限的直流传动控制。使用两条结实型桥臂，可构成一单相交流电源，这种逆变器理论上对负载功率因数没有任何限制，因此可用于不间断电源或单相交流传动控制系统。
　　我们在主电路中使用三条结实型桥臂构成三相交流逆变器，这种逆变器可对具有任意功率因数的三相不平衡负载供电，可用于三相交流传动控制系统。


        4控制电路和系统应用软件的设计
　　41系统控制电路
　　系统控制电路如图2所示。

图2 系统控制电路原理图
　　系统控制电路以8051单片机为中央单元，与825316位可编程计数/定时器、8155可编程RAM、I/O口扩展芯片及EPROM等组成HEF4752V的支持电路。
　　8051主要完成控制工作，向8253送时间常数和控制字。8253的三个计数器分别生成HEF4752V所需的fvct、ffct、frct和foct。8155用于扩展I/O口，接受控制字，给定各切换点的开关频率值。
　　鉴于本系统对精度要求不高，控制系统采用开环控制。利用PWMIC，使控制系统的软硬件设计较为简单，而且，本系统具有良好的保护功能和检测功能，系统输出的电压波形中谐波次数也很高，极易滤除。
　　HEF4752共分8个载波区段，载波频率比N=15、21、30、42、60、84、120、168，载波频率比与输出频率的关系见表1。对应每个载波频率比区段，FCT计数器送出2N个δi数据供脉宽调制用。在相同的载波频率比N下，fvct越高，则调幅比a越小，使输出电压越低。这样，就得到了经双边调制的某相输出信号。当载波频率比N与fvct确定以后，一个周期中调制值δi的变化规律也就相应确定。
表1 载波频率比与输出频率的关系

　　HEF4752输出SPWM波的频率f是由FCT时钟计数器经3360分频后得到的。而开关频率fr则是FCT计数器经与载波频率比N的8个值对应的8组分频器分频后得到。这8组分频器分频数分别是224（对应N=15）、160、112、80、56、40、28、20（对应N=168）。必须根据开关器件容许的开关频率来限制最高开关频率frmax。
　　在频率比变化点附近，为了避免不稳定，设置了频率比重叠区。
　　IGBT是电压驱动，对驱动电路的要求比较高，一般有分立元件构成的驱动电路和集成化专用驱动电路。本系统采用HL402具有先降栅压、后软关断的双重短路保护功能的芯片。其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。
　　42系统应用软件的设计
　　在系统应用软件的设计过程中，本系统采用了如下措施：
　　（1）HEF4752各端口的连接
　　HEF4752的三个时钟输入，由8253的三个计数器输出，计数器的“0”号输出端，接到HEF4752的FCT时钟输入端；计数器的“1”号输出端接到HEF4752V的OCT和RCT时钟输入端；计数器的“3”号输出端接到HEF4752的VCT时钟输入端。
　　（2）8253的时间常数
　　8253的计数时钟为2MHz，得到三个通道的时间常数为
　　0＃ffct0012H
　　1＃frct、foct0007H
　　2＃fvct0008H
　　在程序中，我们规定控制方式字如表2所示。
表2 控制方式字内容

　　8051从8155读入控制方式字及输出频率，向8253送入相应的时间常数，按控制方式字提供的控制方式来控制。当系统没有接到中断信号的时候，仍按以前的方式输出，当系统接到中断信号时，8051会重新读入控制方式字和给定频率，改变输出状态。