1、基于软开关技术的 PWM 变频调速系统 PWM(脉宽调制)功率变换技术省去了庞大笨重的工频变压器，减小了装置的体积 重量，提高了电源的功率密度与整机效率。然而，在硬开关状态 下工作的 PWM 变换器，随着开关频率的上升，一方面开关管的开关损耗会成比例地上升，使 电路效率降低，处理功率的能力减小；另一方面，会产生严重的电磁干 扰(EMI)。 由于功率开关管并不是理想开关，开通和关断都需要一定时间，在这段时间里， 在开关管两端电压(或电流)减小的同时，通过的电流(或电压)上 升，形成电压 和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗。本文介绍一种采用软开关技术的 PWM 变频调速系统，使开关损耗大幅减小。
2、 2 软开关技术的优点 所谓软开关通常是指零电压开关 ZVS(zerovoltageswitching)和零电流开关 ZCS(zerocurrentswitchingz)或近似零电压开关与零电流开关。 硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成能量的变换过程；而软开关 过程是通过电感 L 和电容 C 的谐振，使开关器件中电流(或电压)按正 弦或准正 弦规律变化，当电流自然过零时器件关断；当电压降到零时，器件导通。开关 器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，使器件的开关损耗理论 上为零。 软开关技术的应用，在理论上使开关管的开关损耗为零，从而可以使开关频率 进一步提高，使电力电子变换
3、器具有更高的效率，更高的功率密度，体 积、重 量大大减小，具有更高的可靠性；并可有效地减小电能变换装置引起的电磁污 染(EMI)和环境污染(噪声等)。 3ADRPI 变换桥臂的拓扑结构及工作原理 辅助二极管变换极逆变器（ADRPI）拓扑结构见图 1。若定义电路中 Q1 导通、 Q2 截止为“1”状态，而 Q2 导通、Q1 截止为“0”状态， 则这种变换桥臂的基 本工作原理是： （1）设电路的初始状态为“1”状态，即 Q1 导通、Q2 截止，极电压 VC2 由于 箝位二极管 Dc 的作用被箝位在电源电压 Vin，电感电流 iL 为稳定正值，电感 电压 VL 等于零，这时的电感 L 作为能量储存元
4、件而存在。这个状态的持续时间 由系统的 PWM 调制策略所决定。 图 1ADRPI 一条变换臂的拓扑结构图 图 2 系统控制电路原理图 （2）当电路需从“1”状态变为“0”状态时，在缓冲电容 CC1 的作用下关断 Q1，电感电流 iL 通过二极管 D2 续流，电感 L 与电容 C2 谐 振。当 iL 由正值变 为负值时，Q2 在零电压条件下自然导通。当 VC2 谐振到零时，二极管 Dfw 导通， VC2 被箍位在零值，iL 保持为稳定负值，VL 为零， 电路保持在“0”状态。 （3）当 PWM 调制要求电路从“0”状态变回到“1”状态时，在缓冲电容 CC2 的 作用下关断 Q2，iL 通过二极
5、管 D1 续流，L 与电容 C1 谐 振。当 iL 由负值变为 正值时，Q1 在零电压条件下自然导通。当 VC2 谐振到 Vin 时，二极管 Dc 导通， VC2 被箝位到电源电压 Vin，iL 保持为稳定正 值，VL 为零，电路回到“1”状 态。 从以上 ADRPI 变换桥臂的工作过程可看出，开关次序 Q1D2Q2D1 ，给所有 开关器件提供了最优越的开关环境。在 Q1、Q2 的导通 过程中，通过带有零电 压检测的基极驱动电路检测横跨开关器件两端的电压，以保证当二极管 D1 或 D2 停止导电后，Q1 或 Q2 迅速自然导通，这样就基本上消除 了器件的导通损耗。 而且在这个过程中并不需要使用
6、快速二极管，二极管 D1、D2 在通过其上的电流 为零后自然关断。Q1、Q2 的关断过程是在缓冲电容 CC1、CC2 的作用下完成的。 在 Q1、Q2 关断的瞬间，其上电压为零，而后，其上的 dv/dt 将受到 CC1、CC2 的限制，这样就完全排除了在关断过程 中大电流和高电压同时存在的可能，从 而极大地减少了关断损耗。二极管 Dfw 和 Dc 也具有非常良好的工作环境，其上 的 dv/dt 被谐振电容所限制，而关断时 的 di/dt 又被电感 L 所限制。 在这种零电压开关模式下工作的大功率开关管，只有在横跨其两端电压为零时 才能导通，这意味着同一桥臂的另一开关此时承受着全部电压，即已经
7、关断。 因此这种技术从根本上排除了由于直通而造成电源短路的可能，使逆变桥臂的 工作具有很高的可靠性。图 1 所示拓扑结构又称为结实型变换桥臂 （ruggedinvertleg）。 使用一条结实型桥臂，可使稳定的直流电源变为可调节的直流电源，输出电压 随着占空比的变化从零电压变化到电源电压，并且允许功率反向流动， 这种电 源可用于两象限的直流传动控制。使用两条结实型桥臂，可构成一单相交流电 源，这种逆变器理论上对负载功率因数没有任何限制，因此可用于不间断电源 或 单相交流传动控制系统。 我们在主电路中使用三条结实型桥臂构成三相交流逆变器，这种逆变器可对具 有任意功率因数的三相不平衡负载供电，可用
8、于三相交流传动控制系 统。 4 控制电路和系统应用软件的设计 41 系统控制电路 系统控制电路如图 2 所示。 系统控制电路以 8051 单片机为中央单元，与 825316 位可编程计数/定时器、 8155 可编程 RAM、I/O 口扩展芯片及 EPROM 等组 成 HEF4752V 的支持电路。 8051 主要完成控制工作，向 8253 送时间常数和控制字。8253 的三个计数器分 别生成 HEF4752V 所需的 fvct、ffct、 frct 和 foct。8155 用于扩展 I/O 口， 接受控制字，给定各切换点的开关频率值。 鉴于本系统对精度要求不高，控制系统采用开环控制。利用 PW
9、MIC，使控制系 统的软硬件设计较为简单，而且，本系统具有良好的保护功能和检 测功能，系 统输出的电压波形中谐波次数也很高，极易滤除。 HEF4752 共分 8 个载波区段，载波频率比 N=15、21、30、42、60、84、120、168，载波频率比与输出频率的关系见表 1。对应每个载波频率比区段，FCT 计数器送出 2N 个 i 数据供脉宽调制用。 在相同的载波频率比 N 下，fvct 越高，则调幅比 a 越小，使输出电压越低。这 样，就得到了经双边调制的某相输出信号。当载波频率比 N 与 fvct 确定以后， 一个周期中调制值 i 的变化规律也就相应确定。 表 1 载波频率比与输出频率的
10、关系 输出频率 f(Hz) 载波频率比 N 开关频率 fr(Hz) 3.575.95 168 6001000 5.008.33 120 6001000 7.1411.9 84 6001000 10.0016.67 60 6001000 14.2923.81 42 6001000 20.0033.30 30 6001000 28.5747.62 21 6001000 40.0066.67 15 6001000 HEF4752 输出 SPWM 波的频率 f 是由 FCT 时钟计数器经 3360 分频后得到的。而 开关频率 fr 则是 FCT 计数器经与载波频率比 N 的 8 个值对应的 8 组分频
11、器分频 后得到。这 8 组分频器分频 数分别是 224（对应 N=15）、 160、112、80、56、40、28、20（对应 N=168）。必须根据开关器件容许的开 关频率来限制最高开关频率 frmax。 在频率比变化点附近，为了避免不稳定，设置了频率比重叠区。 IGBT 是电压驱动，对驱动电路的要求比较高，一般有分立元件构成的驱动电路 和集成化专用驱动电路。本系统采用 HL402 具有先降栅压、后 软关断的双重短 路保护功能的芯片。其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。 42 系统应用软件的设计 在系统应用软件的设计过程中，本系统采用了如下措施： （1）HEF4752 各端口的连接 HE
12、F4752 的三个时钟输入，由 8253 的三个计数器输出，计数器的“0”号输出 端，接到 HEF4752 的 FCT 时钟输入端；计数器的 “1”号输出端接到 HEF4752V 的 OCT 和 RCT 时钟输入端；计数器的“3”号输出端接到 HEF4752 的 VCT 时钟输 入端。 （2）8253 的时间常数 8253 的计数时钟为 2MHz，得到三个通道的时间常数为 0ffct0012H 1frct、foct0007H 2fvct0008H 在程序中，我们规定控制方式字如表 2 所示。 表 2 控制方式字内容 位 状态 功能 0 停止工作 D0 1 启动工作 0 负序 D1 1 正序 0 晶体管 D2 1 晶闸管 0 升频 D3 1 降频 0 申请中断 D4 1 不申请中断 8051 从 8155 读入控制方式字及输出频 率，向 8253 送入相应的时间常数，按 控制方式字提供的控制方式来控制。当系统没有接到中断信号的时候，仍按以 前的方式输出，当系统接到中断信号 时，8051 会重新读入控制方式字和给定 频率，改变输出状态。
