呂青 聞琦 高嵬

（1. 空軍預警學院，武漢430019；2. 92380部隊裝備部，三亞572000；3.海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033）

0 概要

輔助諧振環(huán)流極逆變電路（Auxiliary Resonant Commuted Pole Inverter－ARCPI）把諧振電路從直流環(huán)節(jié)移到了逆變橋臂上，因此具有電壓和電流應力低的優(yōu)點；與直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器相比，ARCPI還具有三相橋臂之間操作相互獨立、控制靈活、可方便的實現(xiàn)各種PWM調制策略等一系列優(yōu)點。此外，相對于諧振母線換流電路，ARCPI只在換流時輔助諧振環(huán)節(jié)才流過電流，大大減少了導通損耗。而其輔助電路的控制和逆變器的PWM控制完全獨立，主開關管軟開關操作不受負載條件影響，諧振電感和主功率通路分離，容易引入多電平電路等幾大優(yōu)點，很可能成為下一代逆變器更有希望的拓撲結構[1]。

本文基于ARCPI的工作原理和寬幅壓輸入，建立了寬幅壓三電平的ARCPI的仿真模型，并通過試驗驗證了仿真所得結論，同時通過對比得出三電平ARCPI軟開關在抑制3次諧波方面具有顯著優(yōu)勢。此外，仿真實驗表明，三電平 ARCPI軟開關對寬幅壓輸入情況下開關管上的沖擊電流起到了限制作用。

1 輔助諧振環(huán)流極逆變電路簡介

R.De Doncker 指出：“提高軟開關變換器效率的一個重要條件是，諧振電感和諧振極并聯(lián)而不是串聯(lián)于主功率通道上[2]”。ARCPI 恰恰具備這樣的并聯(lián)結構，如圖 1 所示，C1=C2=C 足夠大時，通過一個雙向開關將諧振電感和主電路隔離，在逆變橋臂不需要換流時，輔助開關 Sa1、Sa2均關斷，Lr中沒有電流流過，沒有像諧振直流環(huán)逆變器（RDCLI）式的通態(tài)損耗。

當需要換流時，開通輔助開關管激發(fā)諧振電路，為主開關管 S1、S2提供零電壓開通條件。假設負載電流 I0一直為圖 1 所示方向，且換流瞬間恒定，反方向與此對稱不再討論，輸出電壓為正記為“P”狀態(tài)，為負記為“N”狀態(tài)，可將整個換流過程分為以下三種情況：

圖1 ARCPI原理圖

（1）P→N，負載電流足夠大，稱為容性換流，即將從 S1流過電流換至從 VD2流過，無需啟動換流極，Cr1、Cr2恒流充放電實現(xiàn)換流。Cr1上的電壓不能突變，所以 S1為 ZVS 關斷；當 UCr2=0后，S2可以 ZVS開通，因為UCr1+UCr2=Ed，僅以 UCr1為例，其波形圖和相平面圖見圖2換流1；

（2）P→N，負載電流較小，稱為 ARCP 輔助容性換流，此時如仍以前面的方式換流，持續(xù)的時間就會很長，所以借助輔助諧振極加速換流過程：ZCS 下開通 Sa2，iLr反向增加到 Ith2，ZVS下關斷S1，諧振開始，直至 UC=0，VD2導通，iLr線性下降為零，Sa2ZCS 關斷，此后可以 ZVS開通 S2，波形圖和相平面圖見圖2換流 2。Ith2之所以不為零，是為了補償諧振過程中的能量損耗。

（3）N→P，稱為 ARCP 換流，即將從 VD2流過電流換至從 S1流過，必須借助輔助諧振極。ZCS 下開通 Sa1，iLr增加到 Ith1(Ith1＞I0)，ZVS 下關斷 S2，諧振開始，直至UC=0，VD1導通，ZVS開通 S1，iLr線性下降為零，Sa1ZCS 關斷，波形圖和相平面圖見圖2換流3。Ith1＞I0，也是考慮了損耗的影響。

通過對ARCPI原理的分析，不難得出該電路的優(yōu)點：

（1）諧振電感和主功率通路分離，諧振僅出現(xiàn)在換流期間，導通損耗小。從相平面上看，主開關管電壓應力沒有增加，電流應力增加約 5%，即Ith1-I0的值。

（2）輔助電路的控制和逆變器的 PWM 控制完全獨立，自由設計的空間較大。

（3）主開關管軟開關換流不受負載條件影響。

（4）所有的主開關工作于 ZVS，所有的輔助開關工作于 ZCS。

（5）輔助開關承受的電壓應力僅為主開關的一半，且電流有效值非常小。

（6）du/dt 完全可控，di/dt 部分可控，EMI較小。

（7）主開關器件電壓電流尖峰較小，可以充分利用它的容量，提高裝置傳輸功率的能力。

圖2 三種換流過程原理圖

但也有如下一些缺陷：

（1）需要精確測量的物理量較多，控制復雜尤其是直接應用于三相逆變器中時。

（2）直流側電容中點電位的浮動。

（3）諧振損耗需要能量補償，增加了控制復雜性。

（4）雜散電感引起流入諧振電容的電流不平衡，影響 ZVS 的實現(xiàn)，進而加大了損耗。

（5）輔助二極管反向恢復帶來較高的尖峰電壓，需要附加抑制電路。

為了進一步研究 ARCP 的性能，文獻[3]對比了ARCP 與硬開關(HSW)、有源鉗位諧振直流環(huán)(ACRDCL)的幾項性能指標，見表1?？梢钥闯?，ARCP可以工作在更高的頻率，THD 較小，損耗更小，效率上也有優(yōu)勢。但作者認為，效率、THD只是衡量ARCP 的一個方面，du/dt、di/dt 和 EMI減小，開關頻率的提高，主開關容量的充分利用，易于向多電平擴展等，都是大功率場合 ARCP技術的優(yōu)勢所在。

表1 ARCP與HSW和ACRDCL的性能比較表

2 幅壓條件下的 ARCPI軟開關逆變器的仿真分析

本文采用 Orcad/Pspice 9.2軟件進行仿真分析[4]，具體仿真原理圖如圖 3所示。其中交流側各相阻性負載為1Ω，濾波電感為1.5 mH，濾波電容取608 μF；采用理想開關管和反向二極管；輸入直流電壓范圍在175～320 V。了研究參數(shù)變化對電路的影響，本文將對各種不同參數(shù)分別加以分析，以期從中得出有益的結論。

圖3 單相ARCPI原理圖

圖4 輸出電壓波形

根據寬幅壓輸入條件，對 175 VDC輸入和320 VDC輸入分別進行分析：

當輸入直流電壓為175 V時，輸出電壓、開關管沖擊電流波形如圖4、圖5所示。

當輸入直流電壓為320 V時，輸出電壓、開關管沖擊電流波形如圖6-7所示。

由此可見，盡管直流電壓波動范圍在175～320 V，但是開關管上的沖擊電流卻在3.5～9 A的范圍內變動，在選取合適的開關管后即可保證其正常運行而不會受到損害。

圖5 開關管沖擊電流波形

圖6 輸出電壓波形圖

圖7 開關管沖擊電流波形

值得關注的是，當直流電壓取最小值175 V時，交流輸出電壓幅值為175 V左右；當直流電壓取最大值為320 V時，交流輸出電壓幅值為320 V，也就是說，三電平拓撲的ARCPI逆變器電路在寬幅壓輸入條件下其輸出電壓不能穩(wěn)定在某一小范圍內，但是該電路相對于普通逆變器而言能夠輸出品質較高的交流量，如果結合適合的DC/DC或AC/AC電路，可以使交流輸出穩(wěn)定在既定的電壓附近。文獻[5]中詳細介紹了一種DC/DC電路，如果在直流輸入側加入這種電路，理論上可獲得穩(wěn)定的交流輸出。

3 基于寬幅壓條件下的 ARCPI軟開關逆變器的試驗研究

根據仿真的分析結果，搭建試驗平臺進行試驗。

實驗原理圖參考圖3，最終選取電路中Lr=12 μF，Cr1= Cr2=0.1 μF，Cr3=200 μF，。試驗輸出波形如圖8、圖9所示。

圖8 實驗輸出電壓波形

圖9 實驗輸出電壓濾波后的波形

圖8左圖為輸入直流電壓175 V時輸出點對中點的電壓，右圖為輸入直流電壓300 V時輸出點對地的電壓。對比仿真波形圖4、圖6，實驗輸出的電壓波形同仿真波形基本符合，仿真圖形中電壓波形存在波動，而在實驗中卻沒有出現(xiàn)這一問題，這是由于實驗所采用的電源是整流后的直流電源，而仿真采用的是理想直流電壓源。

圖10 輸出電壓的諧波分析

圖9為濾波后輸出電壓，其中左圖為直流輸入175 V時的輸出電壓，右圖為直流輸入300 V時的輸出電壓。

圖10是輸出電壓的諧波分析，從圖中可以看出，由于設定實驗頻率為167 Hz，可以看出，三電平拓撲可以消除 3n次諧波（n≥1），此外，還剩余 2、4、5、7次諧波。由幅頻特性的公式A=20lgG，有 A1≈30 dB=20lgG1，A2= A4≈7.5 dB=20lgG2，A3= A6=0，A5=15 dB=20lgG5， A7=13 dB=20lgG7；從中可以看出，，也就是說，整個諧波占基波的百分比很小，可以忽略不計。

4 結論

寬幅壓條件下三電平 ARCPI軟開關逆變器結構電路，經仿真和試驗驗證，具有諧波含量小，電壓和電流應力小等優(yōu)勢，對研制適合寬幅壓輸入的大功率逆變器具有一定參考價值。

[1]Bose B K. Recent advances in power electronics and drives [D]. Seminar in China University of Mining and Technology. 1996.

[2]Dedoncker R W, Lyons J P, The auxiliary resonant commutated pole converter[C]. IEEE Industry Application Soc. Conf. Proc. 1990： 1228-1235.

[3]韓英鐸, 王仲鴻, 林孔興等. 電力系統(tǒng)中的三項前沿課題—柔性輸電技術, 智能控制, 基于 GPS的動態(tài)安全分析與監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 清華大學學報(自然科學版), 1997, 37(7)： 1-6.

[4]陳建業(yè). 電力電子電路的計算機仿真[M]. 北京： 清華大學出版社, 2003.

[5]童正軍. 基于寬幅壓的ZVT-PWM CUK直流變換器研究[D]. 武漢： 海軍工程大學, 2006.