孟準(zhǔn)，涂世杰，李國(guó)棟，陳培育，王議鋒（.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津0007；.江西省電力公司檢修分公司，江西南昌0000；.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津0000）

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繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)用ZCS Buck勵(lì)磁變換器

孟準(zhǔn)1，涂世杰2，李國(guó)棟3，陳培育3，王議鋒1
（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.江西省電力公司檢修分公司，江西南昌330000；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

摘要：提出了一種適用于電勵(lì)磁同步電機(jī)的零電流（ZCS）軟開關(guān)Buck勵(lì)磁變換器。為了減小勵(lì)磁變換器的體積，利用轉(zhuǎn)子繞組的等效電感作為Buck輸出濾波電感。在此基礎(chǔ)上，為了消除轉(zhuǎn)子繞組寄生參數(shù)和Buck開關(guān)器件高頻開關(guān)引起的勵(lì)磁電流脈動(dòng)噪聲，提出一種傳統(tǒng)Buck電路與耦合電感和諧振電容的組合結(jié)構(gòu)。諧振回路的存在實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)器件的ZCS軟開關(guān)，提高變換器效率的同時(shí)平滑輸出電流，有效減小電磁干擾（EMI）。最后，通過PSIM仿真驗(yàn)證了所提變換器拓?fù)涞挠行浴?/p>

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)；零電流開關(guān)；Buck變換器

隨著石油、天然氣等不可再生化石燃料的日益減少，混合動(dòng)力型電動(dòng)汽車以及純電力型電動(dòng)汽車相關(guān)方面的研究已經(jīng)成為近些年研究的熱點(diǎn)［1-4］。電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常采用感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)［5-7］。通常，為了使傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的效率，永磁同步電機(jī)往往需要大量的稀土元素，增加了成本，降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，同時(shí)在安全性上也存在一定問題。例如，當(dāng)電機(jī)中的繞線部分發(fā)生短路時(shí)，永磁體將不可避免地導(dǎo)致較大的短路電流以及剎車轉(zhuǎn)矩。此外，在高速和有限的逆變電壓條件下，電機(jī)將產(chǎn)生額外的功率損耗，這將導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降［8］。因此，綜合考慮成本、性能以及變換效率等因素，電勵(lì)磁繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)具有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值。

為了減小勵(lì)磁變換器的體積，消除輸出勵(lì)磁電流的脈沖尖峰并進(jìn)一步提高變換器效率，本文提出了一種適用于電勵(lì)磁同步電機(jī)的新型零電流Buck勵(lì)磁變換器。在傳統(tǒng)Buck變換器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用感值很小的耦合電感來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電路的無尖峰恒定電流輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)器件的零電流開通和關(guān)斷。此外，由于未使用體積較大的濾波器和諧振元件，變換器的體積可以做到很小。最后，利用PSIM仿真驗(yàn)證了所提變換器結(jié)構(gòu)的正確性。

1　Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略

本文提出的Buck變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示。該拓?fù)渲饕蓛刹糠纸M成，包括新型零電流開關(guān)Buck變換器和虛線框內(nèi)代表電機(jī)轉(zhuǎn)子等值電路的部分。等值電路包括寄生電容Ceq，等效轉(zhuǎn)子電阻Req，等效線路電感Lline和1個(gè)電感值較大的等效轉(zhuǎn)子電感Lrotor。為了實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，Buck電路采用互感值為M的耦合電感L1和L2。L1與直流源Vi和功率開關(guān)管S串聯(lián)，而L2與續(xù)流二極管D串聯(lián)。此外，在所提Buck變換器拓?fù)渲幸肓?個(gè)由耦合電感L1，L2及輸出電容Cr組成的準(zhǔn)諧振電路來實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。逆變器的體積由于選取的電感值L1，L2，M和電容值Cr較小而得到了較大的減小。

圖1b示出了該Buck變換器的控制框圖。實(shí)際輸出電流與參考電流相比得到的誤差信號(hào)VEA經(jīng)過電壓控制振蕩器（VCO）調(diào)節(jié)后生成SSET信號(hào)來使能PWM觸發(fā)器。為了避免開關(guān)管S直通采用了相位延遲和占空比調(diào)節(jié)模塊。VCO的輸出信號(hào)首先在相位上延遲0.9×2π，接著被轉(zhuǎn)變成占空比為0.1的窄脈沖信號(hào)SPRO，并且它的相位與頻率f的下個(gè)上升沿右對(duì)齊。這種情況下，如果開通占空比大于0.9時(shí)，SPRO信號(hào)將會(huì)強(qiáng)迫開關(guān)管S關(guān)斷，由此避免開關(guān)管S損壞。SZCD和SPRO經(jīng)由或門得到觸發(fā)器的重置信號(hào)SREST。

圖1　Buck變換器電路拓?fù)浼捌淇刂平Y(jié)構(gòu)Fig.1 Power circuit and control structure for the Buck converter

2　工作原理分析

為了簡(jiǎn)化電路分析，作出以下假設(shè)：虛線框內(nèi)轉(zhuǎn)子等值電路的電感Lrotor足夠大，輸出電流Io視為恒定值；耦合電感L1和L2內(nèi)阻忽略不計(jì)；電感L1和L2完全相同，即L1=L2；功率開關(guān)管S和二極管D為理想元件。

所提出的ZCS Buck電路工作模式分析如下，各模態(tài)的等效電路圖如圖2所示，主要波形如圖3所示。

圖2　逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuits of the proposed converter

圖3　主要參數(shù)波形Fig.3 Waveforms of main parameters

2.1MODE_1（t0～t1）

模態(tài)1的等效電路如圖2a所示，在t0時(shí)刻，開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電容C上電壓為Vi，并開始向負(fù)載以恒定電流放電，故電壓uc線性下降，直至t1時(shí)刻該電壓降至零，此時(shí)，二極管D兩端壓降為零，二極管開始導(dǎo)通，模態(tài)1結(jié)束，電路進(jìn)入下一個(gè)工作模態(tài)。

該模態(tài)下電路等值方程為

由初始邊界條件

可得該模態(tài)下各個(gè)變量表達(dá)式為

2.2MODE_2（t1～t2）

模態(tài)2的等效電路如圖2b所示，開關(guān)管S仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D在t=t1時(shí)刻導(dǎo)通，電感L2和電容C開始諧振，電流iL2從零上升，電容電壓uc則從零開始下降。當(dāng)電容電流ic由-I0上升至零時(shí)，電容電壓uc達(dá)到負(fù)向最大值，此時(shí)有iL2=I0；之后，iL2繼續(xù)上升，電容電壓uc由負(fù)向最大值向零變化，直至t=t2時(shí)，開關(guān)管S導(dǎo)通。此時(shí)，電感L2上電流iL2的值記為iL2_MAX。在開關(guān)管S關(guān)斷過程中，電感L1上電流iL1一直為零，故電路實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷。

該模態(tài)下電路等值方程為

由初始邊界條件

可得該模態(tài)下各個(gè)變量表達(dá)式為

2.3MODE_3（t2～t3）

模態(tài)3的等效電路如圖2c所示，t2時(shí)刻開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，耦合電感L1，L2和電容C形成諧振。電流iL1自零上升，電流iL2由t2時(shí)刻的值iL2_MAX開始下降，電壓uc由初值uc_m1開始上升。至t=t3時(shí)，電感L2的電流iL2下降至零，電感L1，L2和電容C結(jié)束諧振，電路進(jìn)入下一個(gè)工作模態(tài)。

該模態(tài)下電路等值方程為

由初始邊界條件

可得該模態(tài)下各個(gè)變量表達(dá)式為

其中

2.4 MODE_4（t3～t4）

模態(tài)4的等效電路如圖2d所示，此時(shí)，開關(guān)管S一直開通，二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電感L1和電容C進(jìn)行諧振，電感L1向電容C和負(fù)載電流源放電，其電流iL1從初值下降，至iL1=I0時(shí)，電容電壓uc達(dá)到正向最大值uc_max。此后，uc，iL1同時(shí)下降直至iL1下降至零時(shí)，開關(guān)管S關(guān)斷，電路實(shí)現(xiàn)ZCS開通，并進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

該模態(tài)下電路等值方程為

由初始邊界條件

可得該模態(tài)下各個(gè)變量表達(dá)式為

3　PSIM仿真及分析

為了驗(yàn)證所提零電流開關(guān)Buck變換器的正確性，在PSIM仿真環(huán)境下建立模型并仿真。該仿真模型如圖4所示。由于PSIM中無法實(shí)現(xiàn)VCO，本文只實(shí)現(xiàn)了開環(huán)控制仿真。

圖4　零電流開關(guān)Buck變換器的Psim仿真模型Fig.4 PSIM model block diagram for the proposed ZCS Buck excitation converter

如圖4所示，時(shí)鐘源VCO1用來產(chǎn)生頻率為120 kHz的PWM開通信號(hào)，而ZCD的輸出則作為PWM關(guān)斷信號(hào)。負(fù)載在空載（0%）到滿載（100%）的范圍內(nèi)變化。所提逆變器結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)如下：輸入電壓Vi=400 V，開關(guān)頻率fS=120 kHz，額定占空比D=0.44，耦合電感L1/L2=20 μH，互感M=2 μH，諧振電容Cr=33 nF，轉(zhuǎn)子等值電阻Ro=30 Ω，轉(zhuǎn)子等值電感Lrotor=2.1 H，轉(zhuǎn)子等值電容Ceq=33 pF，輸出線路等效電感Lline=2 μH。

圖5和圖6分別示出了空載和額定負(fù)載條件下零電流開關(guān)Buck變換器主要參數(shù)的仿真波形。

圖5　Buck變換器仿真波形Fig.5 Simulated waveforms of the proposed Buck converter

圖6　Buck變換器仿真波形（fs=120 kHz）Fig.6 Simulated waveforms of the proposed Buck converter

圖5圖6中,縱坐標(biāo)從上到下依次為功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)VGATE，輸入電流iin（iL1），電容電流iC，輸出電流Io，開關(guān)管電壓Vds，續(xù)流二極管電壓Vd及電容電壓V0。

圖5a和圖5b的主要區(qū)別就是開關(guān)頻率不同。圖5a所示為fs=20 kHz下的輸出波形。圖5b所示為fs=120 kHz下的輸出波形。由圖5可以看出，如果開關(guān)頻率與輸出電流值不匹配，開關(guān)管S的反向二極管內(nèi)將會(huì)流過較大的反向電流。同時(shí)還可以看到通過VCO電路參數(shù)的優(yōu)化使得在合理的負(fù)載變化范圍內(nèi)系統(tǒng)的效率得到了提高。

從圖6可以看出在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，流經(jīng)開關(guān)管的電流iin（iL1）和其兩端的電壓Vds的波形沒有重疊。因此，所提變換器拓?fù)淠軌蛲瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷，并能實(shí)現(xiàn)續(xù)流二極管的軟開通。輸出電流波形中的數(shù)值在7.49 A到7.51 A間的波動(dòng)相對(duì)于其有效值可以忽略不計(jì)。這保證了在無法忽略電路寄生參數(shù)的影響下轉(zhuǎn)子繞組的輸出電流恒定。圖5和圖6中的波形與圖2中描述的開關(guān)模式匹配良好，由此驗(yàn)證了所提拓?fù)涞暮侠硇浴?/p>

4　結(jié)論

本文提出了一種適用于電勵(lì)磁同步電機(jī)的新型零電流Buck勵(lì)磁變換器。在利用繞線轉(zhuǎn)子等效電感減小變換器體積的同時(shí)考慮轉(zhuǎn)子繞組寄生參數(shù)的影響，通過在傳統(tǒng)Buck電路中集成耦合電感和諧振電容保證了轉(zhuǎn)子繞組輸出電流的平滑無尖峰。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)器件的ZCS軟開通和軟關(guān)斷，極大地降低了變換器的功率損耗和EMI。最后，通過PSIM仿真驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。

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修改稿日期：2015-12-21

ZCS Buck Excitation Converter for Electric Vehicle with Wound Rotor Synchronous Motors

MENG Zhun1，TU Shijie2，LI Guodong3，CHEN Peiyu3，WANG Yifeng1
（1. School of Electrical Engineering Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；
2. State Grid Jiangxi Electric Power Company Repair Branch，Nanchang 330000，Jiangxi，China；
3. State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China）

Abstract：A ZCS Buck excitation converter for electric vehicle（EV）with wound rotor synchronous motors was proposed. In order to eliminate the pulse noises in excitation current when considering the parasitic parameters for the rotor coil，a small coupled inductor and a small resonant capacitor were combined with basic Buck circuit. Due to the existence of resonance，zero-current soft-switching for both turn-on and turn-off transitions were achieved，and more importantly，a constant output current without any spikes was guaranteed，which contributed to efficiency promotion and electromagnetic interference（EMI）reduction. In the end，PSIM simulation results are presented to verify the feasibility of theoretical analysis.

Key words：electric vehicle；wound rotor synchronous motor；zero-current switching；Buck excitation converter

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：天津市支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDGX00035）

作者簡(jiǎn)介：孟準(zhǔn)（1984-），男，博士研究生，Email：quakermaster@hotmail.com

收稿日期：2015-09-30