CN113890352A - 低输入电压电机驱动用电流型dc-ac变换器及其软开关控制 - Google Patents

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Abstract

一种低输入电压电机驱动用电流型DC‑AC变换器，是由直流电源、带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路、m相电流型逆变电路(m为正整数)和输出滤波电路依序级联构成。直流电源先经高增益升降压斩波电路后输出高频PWM电流脉冲波，再经m相电流型逆变电路和输出滤波电路获得高质量交流电压。带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路根据输出交流电压高低不同可以工作在升压模式或者降压模式，储能开关S可通过控制有源箝位支路开关SC的导通时间实现零电压开通。这种变换器具有单级升压逆变、升压能力强、输出电压调节范围宽、变换效率高、功率密度高、共模电流小等特点，在低输入电压电机驱动场合具有良好的应用前景。

Description

低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制
技术领域：
本发明所涉及的一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器，属于电能变换领域。
背景技术：
随着科技的发展进步，新能源汽车开始在传统汽车工业中具有一席之地。新能源汽车不仅集成了先进的车辆控制和动力技术，而且是具有新结构和对环境友好的一类汽车。新能源汽车目前可分为纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车三大类。电动汽车的核心部件包括电机、电驱和电池三大部件。其中，而电机驱动控制系统是纯电动汽车核心部分，优秀的电机驱动用DC-AC变换器对于电动汽车的性能发挥中至关重要。
当前，由于电机的类型与电机的控制策略都有许多种，运用不同的组合的纯电动汽车性能千差万别。此外，电动汽车的动力电池一般采用多块电池组并联结构，输出电压较低而输出电流可以非常大，针对这一现状，现有的常用解决方案为两级式DC-AC功率变换策略，即前级升压电路级联后级逆变电路。因为当前的逆变电路通常采用电压型逆变电路，因此，前级升压电路必不可少，但是，两级式功率变换策略效率较低，且输出电压范围有限，导致电机调速范围较小，性能发挥受限。
针对当前两级式DC-AC功率变换策略的不足，电流型逆变器开始被广泛研究，现有的电流型逆变器为在逆变桥臂和输入直流电源之间串接大电感，进而将大电感等效为电流源，使其在工作过程中表现出电流源特性，实现升压控制，能够实现大输出电压和宽范围输出电压调节，但是现有的传统电流型逆变器存在无法降压，或输出电压不够高的情况，有待进一步研究改进。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种具有适用于低输入电压、大升压能力、能够升降压的宽输出电压范围、单级功率变换、电路拓扑简洁、高效率、高功率密度的电机驱动用电流型DC-AC变换器。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案在于，一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制，其特征在于：该变换器是由直流电源、带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路、m相电流型逆变电路(m为正整数)和输出滤波电路依序级联构成。其中，所述的输入电源可由但不仅限于铅酸蓄电池构成；所述的带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路根据输出交流电压高低不同可以工作在升压模式或者降压模式，工作在升压模式时，Q1常通Q2常断，工作在降压模式时，Q1和Q2处于斩波状态，储能开关S可通过控制有源箝位支路开关SC的导通时间实现零电压开通，即这种变换器的软开关控制方法；所述的m相电流型逆变电路能够将直流电逆变为输出可控的m相交流电；所述的输出滤波电路滤除高次谐波，所述的变换器通过升降压控制和空间矢量调制实现输出电压大范围调节，进而实现电机负载的宽范围调速控制。
所述的带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路由IGBT开关Q1和Q2、带中心抽头的电感L、箝位电容CC和开关S和SC构成，Q1的集电极与输入电源的正极相连，Q1的发射极与Q2的集电极相连，Q2的发射极与输入电源的负极相连，带中心抽头的电感L由N1绕组和N2绕组构成，N1绕组的同名端和Q1的发射极相连，电感L的中心抽头即N2绕组的同名端与开关S的集电极相连，开关S的发射极与电源负极相连，开关SC的发射极与开关S的集电极相连，开关SC的集电极与箝位电容的一端相连，箝位电容的另一端与电源负极相连；所述的m相电流型逆变电路有m个逆变桥并联构成，每个逆变桥有两个单向可控开关串联构成，每个单向可控开关由一个IGBT和二极管串联构成，其中，IGBT的发射极和二极管的阳极相连；所述的输出滤波电路由m个滤波电容构成，m个滤波电容的一端连接在一起，另一端与m个逆变桥的中点连接，同时与m相电机相连。所述的一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制，对于该变换器的软开关控制策略，其特征在于：通过合理设计电感L的漏感Lk和箝位电容的大小，使其满足带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路的软开关条件，进而通过控制开关SC的导通时间，来控制开关S的零电压开通，减小变换器工作在升压模式时的开关损耗。
本发明能够实现单级DC-AC功率变换，适用于低输入电压场合，能够实现宽范围的输出电压调节，升压能力强，且带有源箝位的大升压比Boost电路能够实现软开关，变换效率高，共模电流小。实现了电机驱动器的高效率、高功率密度DC-AC功率变换。在低输入电压电机驱动场合具有良好的应用前景。
附图说明
图1为低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器的结构图。
图2为低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器的三相逆变电路拓扑实例图。
图3为三相电流型DC-AC变换器工作在升降压模式的等效电路图。
图4为三相电流型DC-AC变换器工作在升压模式的等效电路图。
图5为三相电流型DC-AC变换器空间矢量调制的工作区间划分图。
图6为三相电流型DC-AC变换器空间矢量调制的矢量合成示意图。
图7为三相电流型DC-AC变换器有效适量和零矢量的开关状态图。
图8为三相电流型DC-AC变换器开关导通控制方式示意图。
图9为三相电流型DC-AC变换器开关导通控制对照图。
图10为三相电流型DC-AC变换器半个高频开关周期内等效电路模态图。
图11为三相电流型DC-AC变换器高频开关周期内关键电路信号波形图。
具体实施方式：
下面通过具体实例结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。
一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制，其电路结构图如图1所示，该变换器是由输入电源、带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路、m相电流型逆变电路和输出滤波电路依序级联构成。当m等于3时，即m相电流型逆变电路变为三相电流型逆变电路，如图2所示，为方便电路原理描述，改变3相电流型逆变电路部分开关管编号序列，上桥臂开关管依次为S1、S3、S5，下桥臂开关管依次为S4、S6、S2。
以图2所示的三相电流型DC-AC变换器为例，其工作状态可以分为升压工作模式和降压工作模式，其中降压工作模式，等效电路如图3所示，Q1和Q2构成斩波电路，开关S和SC断开，带中心抽头的电感L即可以做为独立的续流电感，输出三相电压对应的六脉波峰值电压低于输入电压，此时电压udc低于输入电压，经电流型逆变电路，获得较低输出电压的三相交流电；其中升压工作模式，即输出三相电压对应的六脉波峰值电压高于输入电压时，等效电路如图4所示，Q1和Q2构成降压斩波电路停止工作，开关Q1长通，开关S和SC斩波工作，带中心抽头的电感L可以等效为耦合电感分析。
三相电流型DC-AC变换器工作在升压模式时，采用空间矢量调制策略，按照输出电压过零点为分界线，将其划分为6个区间并按罗马数字标号，如图5所示。将逆变桥臂开关不同的开通关断组合定义电流矢量，共6个有效矢量，参考适量Iref可以由相邻有效适量合成，如图6所示。与传统电流型逆变器不同的是，用开关S导通代替桥臂直通做为零矢量，有效适量和零矢量作用时的逆变桥直流侧电压分布如图7所示。
具体开关控制方式如图8所示，在一个开关周期内，开关S导通两次，即电感储能两次，逆变桥臂开关根据需要的作用矢量进行动作相应的开关，参考矢量的两个相邻矢量作用时间分别为T1和T2，对应相应的需要动作的开关Sx和Sy，在一个开关周期内需要长通的开关对应为Sz，开关S的两次导通时间分别为TS/2-T1和TS/2-T2，箝位开关SC的导通时间为TSC。具体至6个区间，Sx、Sy和Sz分别对应开关S1-S6，对应表格如图9所示，以区间Ⅰ为例，Sx、Sy和Sz分别对应开关S5、S1和S6。
下面结合图10和图11分析稳态时，三相电流型DC-AC变换器在高频开关周期内的工作过程，以区间Ⅰ为例，分析其前半个开关周期的工作模态。
模态1(t0-t1)：电感的N1绕组储能，电感Lm的励磁电压为输入电源电压Ui，电感电流iLm线性上升，此时的Lm由电感L的N1绕组构成。电感电流的变换趋势如下式。
Figure BDA0003292034690000041
模态2(t1-t2)：电流源逆变器和电压源逆变器是对偶的，所以需要在开关S关断之前先导通逆变臂开关S1。也就是说，储能开关S和开关S1必须重叠导通时间做为死区。
模态3(t2-t3)：模态二开始于开关S关断，漏感电流和励磁电感电流不能突变，因此，电感电流向开关管的寄生电容充电。因为开关管寄生电容容值非常小，所以这一模态过程非常短暂。
Figure BDA0003292034690000042
上式Cce是开关管寄生电容，iCc为箝位电容电流，iLk为漏感电流。
寄生电容充电的电路电压方程如下。
Figure BDA0003292034690000043
此谐振过程为二阶电路的谐振过程，其谐振过程的表达式如下。
Figure BDA0003292034690000044
模态4(t3-t4)：电感和输入电源开始向交流负载侧释能，当开关S的集电极发射极电压uce上升至大于负载侧电压，N2绕组电流iN2开始上升，此时，箝位电容电流表达式如下式。
Figure BDA0003292034690000045
模态5(t4-t5)：箝位电容的谐振充电开始于模态4，但是模态4非常短暂，因此，箝位电容的谐振充电主要发生在模态5，在这一阶段，电路的方程有如下等式。
Figure BDA0003292034690000046
uN1和uN2是绕组N1和N2两端的电压，通过上述等式，可以计算得到箝位电容电压的谐振方程。
Figure BDA0003292034690000051
通过求解计算可以得到其结果表达式如下。
Figure BDA0003292034690000052
上式中ω0为谐振角频率，UCc0为箝位电容在谐振过程的初始电压，ILmmax是励磁电感电流iLm的峰值。
Figure BDA0003292034690000053
UCc0可以通过下式求解计算。
Figure BDA0003292034690000054
此时在这一阶段的励磁电感变化为。
Figure BDA0003292034690000055
通过简单的联立表达式(6)和(8)可以计算出漏感电流的表达式。
Figure BDA0003292034690000056
模态6(t5-t6)：在此阶段，输入电源Ui和电感L同时持续输出给负载。电感电流iL2等于iL1。电感电流iLk的方程可表示为。
Figure BDA0003292034690000057
模态7(t6-t7)：模态7从开关SC导通开始，由于箝位电容电压VCc高于电感L中心抽头处的电压，漏电感VLk的电压为负。
Figure BDA0003292034690000058
通过分析谐振过程中电路参数，可以计算电容电压变化规律。
Figure BDA0003292034690000059
初始箝位电容电压UCc1可以表示如下。
Figure BDA00032920346900000510
漏感电流iLk变化式如下。
Figure BDA0003292034690000061
模态8(t7-t8)：为了实现开关S的ZVS，箝位电路开关SC关断。需要在谐振电流下降之前关断开关SC。SC关断后，漏感电流iLk继续流动，开关S的寄生电容放电。开关S的集电极到发射极电压将很快为零。
模态9(t8-t9)：当开关S的集电极到发射极电压uce降低到零时，模式8开始。因此，在这之后开通开关S可以实现零电压开通。由于输入电流很大，软开关可以大大降低开关损耗。
模态10(t9-t10)：在开关S的支路中的电流iS反向降至零之前导通开关S。在此阶段，开关支路的电流iS先反向减小，然后正向增大。最后，N1绕组的电流迅速增加，而N2绕组的电流迅速减小，直到达到零。
在另半个高频开关周期内，逆变桥臂需要导通的开关由S1换位S5，详细的模态分析方式相同，故此不在赘述。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，本发明及其实施例不应仅限于此，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制，其特征在于：这种变换器是由直流电源、带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路、m相电流型逆变电路(m为正整数)和输出滤波电路依序级联构成；其中，所述的输入电源可由但不仅限于铅酸蓄电池构成；所述的带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路根据输出交流电压高低不同可以工作在升压模式或者降压模式，工作在升压模式时，Q1常通Q2常断，工作在降压模式时，Q1和Q2处于斩波状态，储能开关S可通过控制有源箝位支路开关SC的导通时间实现零电压开通，即这种变换器的软开关控制方法；所述的m相电流型逆变电路能够将直流电逆变为输出可控的m相交流电；所述的输出滤波电路滤除高次谐波；所述的变换器通过升降压控制和空间矢量调制实现输出电压大范围调节，进而实现电机负载的宽范围调速控制。
2.根据权利要求1所述的一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器，其特征在于：所述的带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路由IGBT开关Q1和Q2、带中心抽头的电感L、箝位电容CC以及开关S和SC构成，Q1的集电极与输入电源的正极相连，Q1的发射极与Q2的集电极相连，Q2的发射极与输入电源的负极相连，带中心抽头的电感L由N1绕组和N2绕组构成，N1绕组的同名端和Q1的发射极相连，电感L的中心抽头即N2绕组的同名端与开关S的集电极相连，开关S的发射极与电源负极相连，开关SC的发射极与开关S的集电极相连，开关SC的集电极与箝位电容的一端相连，箝位电容的另一端与电源负极相连；所述的m相电流型逆变电路有m个逆变桥并联构成，每个逆变桥有两个单向可控开关串联构成，每个单向可控开关由一个IGBT和二极管串联构成，其中，IGBT的发射极和二极管的阳极相连；所述的输出滤波电路由m个滤波电容构成，m个滤波电容的一端连接在一起，另一端与m个逆变桥的中点连接，同时与m相电机相连。
3.根据权利要求1所述的一种低输入电压电机驱动用电流型DC-AC变换器及其软开关控制，对于软开关控制策略，其特征在于：通过合理设计电感L的漏感Lk和箝位电容的大小，使其满足带ZVS有源箝位的高增益升降压斩波电路的软开关条件，进而通过控制开关SC的导通时间，来控制开关S的零电压开通，减小变换器工作在升压模式时的开关损耗。
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张杰;陈道炼;陈盛;: "新颖的单级双向反激式高频环节逆变器", 中国电机工程学报, no. 07 *

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CN113890352B (zh) 2024-05-14

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