[科普中国]-谐振极软开关逆变器

谐振极软逆变器是指直流环节电压不受谐振的影响，辅助电路连接在逆变器的输出端的电子元件。1

一种新型无刷直流电机谐振极软开关逆变器无刷直流电机以其优越的性能获得了迅猛发展，然而，无刷直流电机通常采用硬开关逆变器驱动，硬开关逆变器的系统效率较低，开关器件的电压、电流应力大，散热器的体积和重量较大，而且硬性通/断产生的过高du/dt和di/dt给系统造成了非常严重的电磁干扰，影响电机的绝缘寿命，功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区，从而导致开关器件的损坏，影响系统的可靠性。因此，硬开关逆变器限制了大功率无刷直流电机驱动系统功率密度和性能的进一步提高，控制器效率、电磁干扰、体积重量问题日益突显，成为制约其快速发展的主要因素。

为了解决硬开关逆变器的诸多问题，人们将更多的努力投向了软开关技术。自从20世纪80年代初提出谐振开关——软性开关的概念，软开关技术吸引了大量的研究人员，成为电力电子和运动控制领域的研究热点。用于交流电机驱动的软开关电压源逆变器主要包括两种类型：谐振直流环节逆变器和谐振极逆变器。谐振直流环节软开关逆变器的研究产生了许多拓扑和控制方法，该类逆变器共同的特点是在直流母线上串接一个功率器件，其导通损耗将严重影响逆变器效率的提高，且直流母线凹槽影响直流电压的利用率。

谐振极逆变器的辅助电路连接在逆变器的三个输出端，直流环节电压不受谐振的影响。谐振极逆变器代表性的电路有准谐振电流模式逆变器、辅助谐振换相极逆变器、零电压转换逆变器、星形缓冲器和三角形缓冲器。但这些谐振极逆变器的研究主要集中在异步电动机驱动，异步电动机为正弦波控制三相绕组中通有正弦电流，而无刷直流电机工作在星形三相六状态120°换相时为方波控制，只有两相通电且为方波，控制方法及开关器件的动作都有较大差异，因而，传统的谐振极软开关逆变技术并不完全适合于无刷直流电机，有必要研究适用于无刷直流电机的谐振极软开关逆变器。提出了一种专用于无刷直流电机驱动系统的谐振极软开关逆变器，如图1所示。三相桥臂的极点连接谐振网络，每相谐振网络含有一个双向开关和一个小的缓冲谐振电容，三相共用一个谐振电感和两个形成直流母线中点电压的电容。缓冲谐振电容为该相主开关器件的 PWM 调制提供 ZVS 关断条件，双向开关控制谐振过程实现缓冲谐振电容的电位变化，为主开关器件的 PWM 调制提供 ZVS 开通条件。双向开关的通断均在 ZCS 条件下进行，其电压应力为直流电源的一半。

采用谐振极软开关逆变器的直接转矩控制直接转矩控制理论以其控制手段直接、结构简单、性能优良等特点，在很大程度上解决了矢量控制中控制复杂、特性易受电机参数变化的影响，以及实际性能难以达到理论分析结果的诸多重大问题。然而，在低速情况下直接转矩控制却存在转矩脉动的不足。此时若能提高开关频率，则可改善转速的低频脉动情况。在高速范围时，通常需要放宽转矩容差来避免过高的开关频率，转矩容差设定的窄些，对减小转矩脉动是有利的，但却增加了逆变器的开关频率，使之成为进一步提高直接转矩控制系统调速精度的不利因素。在传统的硬开关逆变器中，由于存在开关消耗，因此开关频率难以进一步提高。软开关技术则是提高开关频率，减少开关损耗的最好方法。3

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学