串联谐振直流环节三相逆变器研究现状与发展

明正峰  钟彦儒  宁耀斌

西安理工大学电力电子技术研究所（西安，710048）

摘  要：本文对串联谐振直流环节三相逆变器的基本拓扑和工作原理以及近年来的研究新进展进行了比较系统的回顾，分析了研究串联谐振直流环节三相逆变器的几种最新拓扑的优点和不足。最后指出这种电路的共同特点，对其发展前景进行了展望。

关键词：串联谐振  直流环节  三相逆变器

Recent Development of Series Resonant DC Link Three-Phase Inverter

Abstract: The basic circuits, operating principles and new research development in recent years of Series Resonant DC Link Three-Phase Inverter have been reviewed in this paper. The advantages and disadvantages of several novel topologies are analyzed. Common characteristics of this circuit are indicated, and looking forward to its developing foreground finally.

1  前  言

用于电机驱动的大多数软开关三相逆变器电路都是电压谐振类型的，这种电路相对来说结构简单，然而，在某些大功率感应电机驱动场合时，输出电压和电流中的高次谐波成分会使感应电机中的转矩脉冲和电磁振荡变的比较严重。此时，电流谐振的软开关三相逆变器电路，由于在输出端增加了滤波电容器，消除了高次谐波成分，对感应电机运行中的转矩脉动和电磁振荡有一定的抑制作用。串联谐振直流环节三相逆变器电路实际上是并联谐振直流环节三相逆变器电路的对称电路。在这种电路中[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]，直流母线上一个很大的滤波电感Ls为直流环节提供偏流，一个高频谐振网络LrCr以串联的方式嵌入主功率传送通道，为三相逆变桥电路提供零电流开关条件（ZCS），这样一来，一些具有较长关断拖尾电流的功率器件如晶闸管（SCR）、门极关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）等大功率器件将能得到很好的应用。

2  串联谐振直流环节三相逆变器的基本电路

文献[1]是最早介绍串联谐振直流环节三相逆变器电路的文献之一。图1（a）给出了由晶闸管构成的串联谐振直流环节三相逆变器基本电路原理图，图1（b）给出了其单相工作时的等效电路，其中开关Sw为逆变器单相工作时的等效开关，图1（c）给出了该电路工作时相关的原理波形。

考虑到电感LS和电容CL的取值都比较大，假定在一次谐振周期内滤波电感的电流IS和电压VL为恒值。从图1（b）中可以得出：

其中，

在这里，开关功率器件的初始电压 ，VCr0为谐振电容Cr上的电压VCr的初始值。

母线电流id的脉冲出现在开关Sw开通的时候。当母线电流id为零，开关Sw被关断后，开关Sw上的电压VSw开始增加。当开关Sw两端的电压到达VSw0的时候，被开通。在开关Sw关断期间，电感LS中的残余电流给谐振电容Cr充电。为了保证母线电流id的电流脉冲一致，需要保证母线电流id每次上升时的初始条件相同。值得注意的是如果电流IS大于期望值的话，该电路将丢失掉零电流开关条件而变的不稳定。另外，由于电压VL会随着逆变器负载的变化而变化，所以母线电流id会出现较高的不规则峰值。所以电流IS和电压VSw0的实时调节是十分必要的，IS和VSw0的调整可以通过电压VS的控制来实现，并且可以通过在谐振电感Lr中使用饱和磁芯来对母线电流id的峰值进行箝位[2]。

这种电路虽然具有一定的可实现性，但也存在着一些不足之处：

文献[2]提出的有源箝位串联谐振直流环节逆变器电路（ACSRDCLI）和文献[9]提出的具有饱和磁芯的串联谐振直流环节逆变器电路（SCDCLSC）电路虽然解决了母线电流谐振时产生的峰值问题，但仍然没有解决PWM的应用问题。文献[4]和文献[5]中研究的电路利用文献[8]的电流箝位原理解决了PWM的实现原理，另外文献[6]和文献[7]中研究的电路可以在母线上形成一系列和PWM同步的电流方波脉冲。但这些电路的最大问题在于使用了太多的辅助开关，从而增加电路实现时的复杂性。文献[9]中研究了一种适合于一般电机驱动的改进的电流箝位串联谐振直流环节三相逆变器电路，既解决了母线电流谐振峰值的箝位问题，又能实现PWM技术，所用的辅助开关数量最少（只有一个），且辅助开关工作时所承受的电压也能得到有效的限制。图2（a）给出这种电路的原理图，图2（b）给出了其单相等效电路示意图，图2（c）给出了该电路工作时的相关原理波形。

对该电路的工作过程，参照图2（b）和图2（c），简单描述如下：

① 假定单相等效电路的初始工作状态为：滤波电感LS中的电流为IS，所有的开关器件都处于关断状态，二极管Dr处于导通状态，电感电流给谐振电容Cr充电，电流iCr线性增加，同时等效开关Sw两端的电压VSw也在线性增加，直至阈值电压VSw0。

② 在t = t0的时候，在VSw =VSw0的情况下，开关Sw被开通，有下面回路电压方程存在：

此时的母线电流可以用下面的表达式表示：

其中：

在t = t0以后，母线电流id开始以谐振的模式增加。由于有关系式存在：           ，而且滤波电感电流IS始终保持恒定，所以当母线电流id增加的时候，通过二极管Dr的电流iDr就会减小，直至在t = tr的时候，达到零值。此时母线电流id被箝位至电流IS。

③ 在t = tr以后的一段时间里，被箝位的母线电流（id =IS）流过负载，形成一个平顶的电流脉冲，其脉冲宽度可以得到控制。

④ 在t = t1的时候，开通辅助开关Sr ，电容Cr和电感Lr1之间发生谐振，在t = t1以后，谐振电感Lr1中的电流iLr1开始增加，当t = t2，该电流又变为零，ZCS条件下关断辅助开关Sr 。

⑤ 在辅助开关Sr关断以后，谐振电容Cr和谐振电感Lr1+Lr2之间再次发生谐振，电流iDr会增加到电流IS，在t = t3时，母线电流id会被谐振为零，等效开关Sw在ZCS条件下关断，完成一次循环。

该电路应该是串联谐振直流环节三相PWM逆变器改进电路中比较成功的一种，既对谐振后的母线电流进行了最小程度的箝位，又通过一个辅助开关控制了谐振过程的发生和终止，为三相逆变桥中的功率器件在零电流开关条件下实现PWM技术提供了可能。然而，也有文献[16]指出：阈值电压VSw0会使母线电流id脉冲宽度的最小值受到限制，另外，由于谐振电容Cr上最高电压的限制，也使得母线电流id在零点的停留时间也不能确定。

4  串联谐振直流环节三相PWM逆变器的改进电路II

文献[10]给出了一种利用饱和电感来限制母线电流的谐振峰值，并能实现PWM方法的串联谐振直流环节三相PWM逆变器改进电路，如图3（a）所示。图3（b）给出了该电路工作时通过饱和磁芯进行电流峰值限流后的有关电流、电压原理波形。

在这个电路中只需要增加一个双向功率开关器件就能够实现该电路的PWM技术，母线电流谐振峰值的限制水平受负载电流的控制。电感Li和电容Ci构成输入低通滤波器，同时负载电感（异步电机定子漏感）和电容CL构成输出滤波器。谐振电感以n1: n2的比例分割，从而构成母线谐振电流的箝位系数k= n1/ n2。二极管Dr避免了谐振期间电容Cr上电流的反向，从而使得母线电流始终维持和电流IS相同。辅助开关Sr可以用来控制母线电流的脉冲宽度，从而为逆变桥的PWM技术提供实现的可能。在这种电路中，母线电流的箝位系数能够使母线电流的谐振峰值箝位为滤波电感电流IS的2倍。具体的工作过程可以参阅相关的参考文献[3,10]，在此不再赘述。

5  结论与展望

在相关的文献[11]中指出，原则上，串联谐振直流环节逆变器的输出负载必须是容性的，当需要驱动感性负载（交流电机等）的时候，应该给逆变器的输出端增加滤波电容。另外，由于逆变器的开关功率器件工作在ZCS条件下，使得一些大功率的功率器件（SCR等）在较高开关频率下的工作特性大大优于传统的强迫换向PWM方式。这些特点使得串联谐振直流环节逆变器在大功率、高性能的逆变器（用于电机驱动等）中得到了很多的应用，也是研究工作着关注的一个热点。

参考文献：

[1]  Y. Murai，T. A. Lipo，High Frequency Series Resonant DC Link Power Converter，in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting，1988，pp. 772~779.

[2]  R. C. Castaanheira，B. J. Cardoso Fo，B. R. Menezes，P. D.Garcia，and A. F. Moreira，An Active Current Clamping Circuit for a Series Resonant DC Link Power Converter，in IEEE PESC Conf. Rec.，1994，pp. 659~663.

[3]  Y. Murai，S. G. Abeyratne，T. A. Lipo，P. Caldeira，Current Peak Limiting for a PWM Series Resonant DC Link Power Conversion Using a Saturable Core，in Conf. Rec. 14th EPC Conf.，1991，Vol. 2，pp. 8~12

[4]  E. R. da Silva，G. Ledwich，M. Aydemir，and T. A. Lipo，Pulse Width Modulated Series Resonant Converter，in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting，1992，pp. 744~749

[5]  E. R. da Silva and B. J. Cardoso Fo，A Current Clamping Circuit for a PWM Series Resonant DC Link Power Converter，in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting，1995，pp. 2393~2400

[6]  G. Ledwich，E. R. da Silva，and T. A. Lipo，Soft Switched Notching Current Source Inverters， in IEEE PESC Conf. Rec.，1992，pp. 1092~1097.

[7]  E. R. da Silva，Notching Current Source AC/AC Converters for Soft Switched PWM，IEEE-IAS Annu. Meeting，1994，pp. 1001~1007.

[8]  E. R. da Silva，Y. Murai，T. A. Lipo，L. P. de Oliveria，and C. B. Jacobina，Pulsed DC-Link Current Converters——A Review，in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting，1997，pp. 1406~1413

[9]  S. G. Abeyratne，J. Horikawa，Y. Murai，and T. A. Lipo，Current-Clamped, Modified Series Resonant DC-Link Power Converter for a General Purpose Induction Motor Drive，IEEE Trans. On Power Electronics，Vol. 12（2），1997，pp. 201~211

[10]  E. R. da Silva，S. G. Abeyratne，and Y. Murai，PWM Series Resonant DC Link Converter with Current Peak Limiting Using a Saturable Core，IEEE Trans. On Power Electronics，Vol. 14（1），1999，pp. 82~89

[11]  M. D. Bellar， T. S. Wu，A. Tchamdjou，J. Mahdavi, M. Ehsani，A Review of Soft-Switched DC-AC Converters，IEEE Trans. Indus. Appl. ，1998，Vol. 34(4)，pp. 847~860