基于軟開關(guān)技術(shù)的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)
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1引言
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)損耗會成比例地上升，使電路效率降低，處理功率的能力減??；另一方面，會產(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)斷都需要一定時間，在這段時間里，在開關(guān)管兩端電壓(或電流)減小的同時，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
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)電流自然過零時器件關(guān)斷；當(dāng)電壓降到零時，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，這時的電感L作為能量儲存元件而存在。這個狀態(tài)的持續(xù)時間由系統(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)?ldquo;0”狀態(tài)時，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，Q2在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到零時，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，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，Q1在零電壓條件下自然導(dǎo)通。當(dāng)VC2諧振到Vin時，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才能導(dǎo)通，這意味著同一橋臂的另一開關(guān)此時承受著全部電壓，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)實型變換橋臂（ruggedinvertleg）。
使用一條結(jié)實型橋臂，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，這種電源可用于兩象限的直流傳動控制。使用兩條結(jié)實型橋臂，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控制系統(tǒng)。
我們在主電路中使用三條結(jié)實型橋臂構(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控制系統(tǒng)。
4控制電路和系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計
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位可編程計數(shù)/定時器、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送時間常數(shù)和控制字。8253的三個計數(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)每個載波頻率比區(qū)段，F(xiàn)CT計數(shù)器送出2N個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。當(dāng)載波頻率比N與fvct確定以后，一個周期中調(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 |
在頻率比變化點附近，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，對驅(qū)動電路的要求比較高，一般有分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路和集成化專用驅(qū)動電路。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
在系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計過程中，本系統(tǒng)采用了如下措施：
（1）HEF4752各端口的連接
HEF4752的三個時鐘輸入，由8253的三個計數(shù)器輸出，計數(shù)器的“0”號輸出端，接到HEF4752的FCT時鐘輸入端；計數(shù)器的“1”號輸出端接到HEF4752V的OCT和RCT時鐘輸入端；計數(shù)器的“3”號輸出端接到HEF4752的VCT時鐘輸入端。
（2）8253的時間常數(shù)
8253的計數(shù)時鐘為2MHz，得到三個通道的時間常數(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 |
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