大功率谐振过渡软开关技术变频器研究（1）

消除功率器件的开关损耗，所以，可以使变频器的运行效率达到最大值。电机在额定转速运行时，变频器的输出功率最大，故其效率达到最高，电机低速运行时，输出功率较小，而变频器中开关损耗的变化不大，故其效率低。

2）制造成本US＄10元/kW 相对于传统的硬开关技术变频器，软开关技术变频器由于要额外地增加辅助的谐振电感和用来控制谐振发生和终止的辅助开关（功率器件）以及相关的控制电路，但是，对于大功率的变频器，还可以省掉一些元器件（比如每个桥臂上原有的吸收电路及有关的输出滤波装置等）。另外，随着电力电子器件设计和制造技术的发展，电力电子器件的价格也越来越低，所以，对于整个软开关技术变频器来说，其制造成本不会有明显的增加。

3）功率密度>100kW/ft³(3.53W/cm³) 软开关技术变频器优良特性的最大体现，一是功率器件的开关频率可以大幅度提高，二是开关损耗的大幅度降低。这就意味着功率器件在工作时本身的散热量会大幅度降低，为功率开关而设计的散热器尺寸会大大减小，这样，功率密度肯定会大大提高。当然，辅助谐振网络和控制电路的安装要增大尺寸，但是，辅助开关器件的尺寸只有主开关器件的几分之一，相对于传统的无源吸收器电路（二极管＋电容＋大电阻），谐振吸收器电路（开关＋电容＋小电感）明显缩小了。

4）dv/dt1kV/μs 功率器件上并接的吸收电容能够大大减小功率器件关断时的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相对于传统的硬开关，1kV/μs的电压变化率已经是一个不错的指标了。

5）开关频率>20kHz 功率器件的开关频率指标定为20kHz以上，是考虑到音频信号的频率在18kHz以下，当开关频率大于18kHz以后，将不会产生音频噪音。

6）可靠性在电机寿命之内没有问题变频器的可靠性取决于两个方面，一是装置所用元器件的使用寿命，二是电路设计的合理性（主要包括工作原理和保护设计的合理性）。

7）EMI零电磁辐射不产生干扰电磁兼容性是近年来电力电子设备设计时备受关注的问题。变频器的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果。电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含两个方面的内容，即电磁敏感性（Electromagnetic Susceptibility－EMS）和电磁干扰（Electromagnetic Interference－EMI），分别表示变频器抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。针对电磁兼容性的国际和国内标准很多，有些要求设备能够抵抗一定形式和强度的干扰，另一些要求设备产生的干扰强度不能超过一定值。一个EMC合格的产品应该能够同时满足这两方面的要求。

变频器是一种能够产生较强宽频带电磁信号的设备，很有可能对其周边设备造成干扰。同时它又是一种比较容易受到干扰的设备，多数电子设备在受到干扰时仅表现为性能的劣化，而变频器，特别是大功率的变频器则不同，一定形式和程度的干扰甚至有可能造成变频器本身的严重损坏。因此，其电磁兼容性更应该引起充分重视。

4 降低功率器件开关损耗的途径

传统的硬开关技术变频器在开关切换期间存在着一些问题，图1给出了现在常用的系统构成。图2给出了感性负载下，三相逆变器中U相桥臂功率器件在一个开关周期内典型的电流和电压工作波形。

图1 用于驱动三相交流电机的电压源三相逆变器系统一般构成

图2 一个开关周期内功率开关器件和反并联二极管上的电流和电压波形

对于由两个功率开关S₁和S₄构成的一个逆变桥臂（S₁在上，S₄在下）来说，当S₄开通时，通过感性负载的电流将开始增加。当S₄被关断时，感性负载中的电流不可能立刻发生变化，它必须通过S₁上的反并联二极管D1进行续流。

假设初始电流流过二极管D₁，当S₄开通时，负载电流将从D₁转移到S₄，遗憾的是，二极管D1不能立即从正向导通状态恢复到反向阻断状态，相反，在D₁恢复到能承受反向电压之前，D₁中有一个峰值很大的反向恢复电流，这个反向恢复电流也要流过S₄。所以，此时流过S₄的电流是负载电流和D₁反向恢复电流之和。而且，此时S₄上的电压仍然为直流母线电压。这样，S₄开通时，将产生很大的开通损耗。而且将承受很大的电压和电流应力，如果这个应力超过其安全工作区的极限，功率开关器件将永久损坏。另外，当D₁开始承受反向电压时，反向电流减少到零的同时承受一个很高的电压和一个很大的反向电流，因此，反并联二极管也将产生很大的功耗。

当S₄被关断时，负载电流转移到二极管D₁中，S₄两端的电压慢慢上升到直流母线电压，此时流过S₄的电流基本上等于负载电流；当S₄中的电流减小到零，此时它承受的还是直流母线电压。因此，在S₄关断期间也有一个较大的功率损耗。