一种新型软开关SRM功率电路及其控制时序

    孟润泉，王振民，卜庆华

(太原理工大学电气与动力工程学院，太原030024)

摘要：为了消除或降低功率变换器中电力电子器件的开关损耗，抑制开关过程带来的电磁干

扰，提出一种软开关型开关磁阻电机(SRM)功率变换器主电路。电路采用并联型准谐振直流

环节为SlIM相开关开通提供零电压条件，给相开关并联电容器则保证了相开关的零电压关断。在介绍主电路拓扑基础上，分析了电路的控制时序及工作模式转换，并通过仿真验证了控制时序的正确性和电路的软开关性能。

关键词：软开关；开关磁阻电机；功率变换器；控制时序

0引  言

    由于开关器件的开关特性不理想，开关过程会产生损耗。开关损耗不仅会降低系统整体效率，导致器件发热、寿命缩短甚至烧毁，是造成开关磁阻电机驱动系统(SRD)故障的主要原因。另外为了提高SRD系统的词速性能，须通过提高变换器中功率器件的开关频率达到对绕组电流更精准的控制，但开关损耗会随开关频率的提高而线性增大^[1-2]，带来的电磁干扰(EMI)也愈加严重。为此，本文将一种并联准谐振直流环节电路(PQRDCL)引入到SRM功率电路的设计中^[3]，以期借助软开关技术降低器件的开关损耗和开关过程中器件所承受的电应力，抑制开关过程产生的EMI，以进一步提高SRD系统的可靠性，调速性能和整机效率，并为向高速和大容量方面发展奠定基础。

1  电路结构与软开关原理

1．1电路结构

    图1所示为新型软开关SRM功率变换器的等效电路，由电源、SRM相绕组驱动电路及介于两者之间的零电压直流环节电路三部分组成。电源由三相桥式整流、电容滤波后供出。SRM相绕组驱动电路采用一种主开关器件最少型拓扑结构。其中L_a,L_b,L_c,L_d分别为SRM的四相绕组，T₁～T₄是作为相开关的电力电子器件，分别给它们并联了电容c₁～c₄，因电容电压不能突变，所以能保证T1～T4在任何时刻关断均为零电压软关断。D₁～D₄分别为各相绕组的续流二极管。零电压直流环节电路采用并联型准谐振直流环节，由谐振电容CT、谐振电感L_r、辅助开关管T_s、T_p1,T_p2及二极管D_s，D_p1,D_p2构成。PQRDcL具有起振、停振控制容易、电感功耗相对较小等优点。

1．2软开关原理

    相绕组驱动电路中上臂两管T₁、T₂分别由各自的换相逻辑信号和PwM信号相与后控制，而下臂的T₃、T₄仅由换相逻辑控制。功率电路的工作可分为某相绕组电流的斩波和换相两个过程。

    绕组电流斩渡过程中电路有两种状态，以a相绕组为例：①T₁、T₃均开通，L_a通电；②T₁关断，T₃保持通态，L_a中电流经D₁、T₃续流。当电路从状态①向状态②转移时，并联的电容c₁保证了V₁零电压软关断；从状态②向状态①转移时，D₁正处于导通状态，PN两极电压近似相等，从而使T，集电极与发射极间电压近似等于母线电压，若此时由PQRDcL谐振给母线电压产生零电压间隙，则可实现T₁的零电压开通。

    在换相过程中，因待开通相的电流为零，又于PQRDcL产生谐振槽，迫使母线电压为零并将相开关所并电容中的能量释放，而绕组电感电流又不能突变，所以待开通相的开关动作属零电压兼零电流软开通。

2谐振控制时序及工作模式分析

    以a相绕组电流斩波过程为例分析电路的控制时序和工作模式。斩渡过程中T₃一直开通，T₁在PwM信号控制下不停地通断以调节L_a中的电流i_a，与此同时，辅助开关管Ts、T_p1、T_p2受控按照一定时序动作，协助c_r、L_r完成谐振，给T₁软开通创造零电压条件。若将T₁从一次关断到下一次关断定义为一个斩波周期，图2所示为一个斩波周期的控制

时序及准谐振波形。图中，u_g1为T₁触发信号，u_gs为T_s触发信号，u_gp为T_pl、T_p2的触发信号，i_Lr为谐振电感电流，u_cr为谐振电容电压(即母线电压)。在每个斩波周期中，可将电路划分为6种工作模式：M₁～M₆。电流的有效路径随工作模式的转换而变化，每种工作模式下的等效电路如图3所示。图中U_d为忽略电源电压波动后的等效电压源。

 

    在t₁时刻前，T_s,T₁,T₃处于通态，T_p1,T₁处于断态，u_cr=U_d，i_Lr=O，准谐振电路处于静l状态，由直流电源Ud给相绕组La供电，流过电自ia如图3(a)所示。

    M₂[t₁～t₃]

该模式对应图3(b)的等效电路。据PwM制需要，在t=t₁时关断T₁，则相绕组电流i_a

T₃、D₁续流。当t=t₂时，触发T_Dl、T_p2导通，L_r上施加有恒定电压U_d，电流也从零开始线性加，给L_r储能，直到t₃时刻i_Lr达预设值，I₁、L_r，积蓄了足够能量。因电感电流不能突变，且导瞬间电流i_Lr=0，电压砜全部加在L_r上，所以模式中器件T_p1,T_p2为零电流兼零电压软开通。

    M₃[t₃～t₄]

    如图3(c)所示，t=t₃时关断T_s，因u_cr=U且不能突变，使T_s两端电压为零，故该动作属电压软关断。T_s关断后电容c_t上电荷经T_pl、T_p2向L_r释放，c_r、L_r进入谐振状态，u_cr依谐振规律下降，电流i_Lr则由初值I₁依谐振规律增加，直至t4时刻i_Lr=I₂，u_cr=0，母线电压进入谐振槽，电路自然过渡到下一模式。

    M₄[t₄一t₆]

    当u_cr=O后，二极管D_p1,D_r2导通，L_r中的电流沿T_p1,L_r,D_p1和T_p2,D_p2,L_r所形成的两个环路续流并维持I2不变(设回路损耗很小可忽略)，母线电压ucr则保持为零。t=t5时触发T1开通，属零电压软开通。T1开通后直到t6时刻前母线电压仍保持为零，故D1、D3均正向导通，ia沿T1、La、D3及D1、La，T3形成的两个环路续流并逐渐减小，如图3(d)所示。

    Ms[t6一t7]

    t=t6时，ugp=0，Tp1和Tp2零电压关断，如图3(e)所示。此后，iLr经Dp1,Dp2流入母线，其中一部分进入相绕组La，另一部分给Cr充电，Cr，Lr，再次谐振，当t7时刻iLr下降到I3时，ucr上升到Ud、Ds随即导通。

    M6[t7一t8]

   t=t7时，ucr因Ds导通而被箝位于Ud，iLr中的一部分经Ds流向电源，此时令ugs>O触发Ts开通，应为零电压兼零电流软开通，如图3(f)所示。Ts开通后，电源即通过Ts向相绕组La供电，电感中剩余的电流也流向La。在恒定电压Ud下，iLr线性减小直至t8时刻衰减为零，此后相绕组电流全部由电源Ud供给，电路又回到模式a。

3仿真实验

    用Pspicej软件对新型软开关SRM功率电路进行仿真。sRM绕组等效为电感和电阻相串联。其中La～Ld=15 mH，等效内阻Ra一Rb=1Ω。其它主要参数为：Ud=536 V，C1～c4=lO nF，L，=1 mH，cr=470 nF。当按照图2中的时序安排触发信号时，获得仿真波形如图4～图7所示。

    由图4可见，首先是ug1低电平(一10 V)到来关断T1，稍后ugp由低电平变为高电平(+15 V)，使Tp1和Tp2开通，iLr随即从零开始线性增长，直到ugs变为低电平使Ts关断，经短暂的谐振后，ucr，降为零而进入谐振槽，此后iLr维持****值。ucr保持零值直到u低电gp平到来使Tp1,Tp2关断。在从母线电压进入谐振槽到Tp1,Tp2关断之前的这段时间内，ug1变为高电平，使得T1以零电压方式开通。Tp1,Tp2关断后电路又开始谐振并给电容充电，ucr随之上升到电源电压值，然后ugs高电平到触发Ts导通，Ts导通后，iLr呈线性衰减直至为零。

   图5中ugs，uces，ics分别为辅助开关Ts的触发信号和电压、电流波形。可见，当ugs低电乎到来后，ies是在uces保持为零的情况下迅速下降为零，然后虬。才由零值上升，显然属零电压关断；因仿真过程中安排ugs在母线电压刚一恢复到Ud就变为高电平，所以图5中的uces下降与ugs上升几乎同时进行，但可明显看到稍后才有ics从零开始增加。

   图6中ugp为辅助开关Tp1和Tp2的触发信号。因两个器件的端电压和电流波形完全相同，此处只给出Tp1的电压和电流情况，如图中ucep,icp，可见，当ugp高电平到来时，ucep和icp均为零值，随后icp才由零逐渐增加，属零电压兼零电流软开通；而ugp低电平到来时，则是icp先降为零而后ueep才从零开始上升，电压电流无重叠区域。

    图7中ug1,ucel和ic1分别为相开关T1的触发信号和电压、电流波形。可以看出，当ug1低电平到来后，待icl先降为零ucel才由零值上升，属零电压关断；当ucel由PQfIDCL的作用而降为零后，ug1才由一10 v跃变到+15 v使T1开通，所以属零电压开通。

4结语

    本文针对SRM功率变换器中电力电子器件的开关损耗和电磁干扰，提出一种能够实现所有开关器件软开关操作的新型SRM功率电路拓扑。该功率电路结构简单，所需开关器件少，其中相开关可在任意时刻零电压关断，而PQRDcL的谐振控制时序简单，便于产生和相开关开通动作同步的谐振槽。仿真结果验证了控制时序的正确性和电路中各开关器件的软开关特性。由该电路拓扑构成的实际系统正在研发中。