基于软开关技术的PWM变频器设计

张丽勇

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

陈 波

(保定学院物理与电子工程系，河北 保定 071000)

基于软开关技术的PWM变频器设计

张丽勇

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

陈 波

(保定学院物理与电子工程系，河北 保定 071000)

设计了一种基于谐振过渡软开关技术的变频器，以Intel 87C196KC 单片机为控制核心。分析了辅助谐振电路在逆变电路中的应用，给出了变频器主电路、控制电路的设计以及部分软件框图。结果表明，其具有良好的动静态性能

软开关; 逆变器；辅助开关; 谐振过渡

变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。工业领域对大功率、高质量变频器的需求日益迫切，大功率变频装置的研究成为科研、开发的热点，也是电力电子变换技术在电力驱动方面技术成果转化的重点之一。

软开关技术是近年来国际、国内电力电子领域的研究热点，以往的变频器采用常规脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)变换技术，它实际上属于一种硬开关功率逆变装置，开关损耗大，器件温度高[1]。因此，采用软开关技术研究大功率变频器是变频工艺发展的必然。

笔者综合考虑了软开关技术和PWM技术的优点，在保持传统的三相PWM逆变桥工作方式不变的情况下，外加一个辅助谐振电路，此电路只工作在功率开关器件工作状态改变的一瞬间，即对辅助电路中开关功率的要求很小，又为逆变桥上各器件状态的改变提供软开关条件。另外，谐振过程充分利用了逆变桥上主开关的寄生电容和跨接的吸收电容，比较适合现有的以绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)为基本器件构成的变频器电路[1]。

1 变频器的主电路设计

图1 软开关技术三相PWM逆变器电路原理图

高压变频器主要由IGBT(考虑到负载的感性特征，采用将功率开关与其上反并联的二极管一体化封装的IGBT)逆变器主回路、单片机最小控制系统、驱动电路、键盘显示电路及系统的各种检测、保护电路组成。逆变器主回路主要完成将直流电逆变成三相交流电供给电动机，同时，在电动机回馈制动时提供能量回馈通路。零电压过渡三相PWM软开关技术逆变器电路原理[2,3]如图1所示。

对主功率开关器件的选择，参考了硬开关技术变频器的器件选择原则。37kW的变频器电流有效值为75A，峰值为110A，考虑到1.4倍的降额因数，留够2倍的工作裕量，选定主功率开关器件的额定参数为1200V，300A。在该电路中，对每相桥臂增加一组谐振元器件：一个单向导通开关，一个谐振电感和一个阻断或导通的二极管。相对于硬开关变换器来说，虽然每一项都需要一个辅助开关，但由于其导通比较小，考虑到开关频率和谐振电感的设计，辅助开关的功率只有主开关的几分之一。通过有关参数设计选择，辅助开关的额定参数可以定为1200V，300A，谐振电感为6μH，吸收电容为0.47μF。

2 控制电路部分

通过对系统功能及指标的深入研究，综合考虑了其他要求，控制系统采用 Intel公司的87C196KC单片机作为主控制芯片，采用数字PD控制方法，利用该单片机的较强运算能力，高效率完成对外部各种模拟及数字量的采集，通过空间电压矢量波形发送方式产生6路驱动信号加至主逆变单元，实现对主电机的调速控制和各种保护，并利用LED显示故障类型和主电机当前的转速。控制系统结构[4]如图2所示。

图2 控制系统结构图

控制电路主要由前向通道、后向通道、驱动单元和开关电源等单片机最小系统组成。前向通道包括直流电压和电流的检测、交流电流的检测、前进后退和速度给定等；后向通道包括正弦脉宽调制SPWM (Sine Pulse Width Modulation，SPWM)波形生成及处理、故障输出显示等；驱动单元实现波形整形处理及驱动；开关电源主要为集成运放、芯片、驱动模块等提供工作电源。

3 软件设计

软件是变频器系统的重要组成部分，软件设计直接影响变频器的性能。为了更好的完成变频器的多种功能，在程序设计时采用了模块化结构，将系统划分为若干个功能模块，每一个模块完成特定的功能。系统软件由主程序、故障中断子程序、键盘服务程序、显示子程序、A/D采样中断子程序等构成。

系统初始化完成对87C196KC内部定时器、中断系统、看门狗、堆栈指针、I/O口、内部RAM以及特殊功能寄存器的初始化；键盘处理与显示模块主要完成启动方式的设置、启动参数的设定、正常工作时显示电流及故障时显示故障类型；故障检测与处理模块主要完成启动过程中的异常故障检测，如过流、过热、断相等，当故障发生时立刻做出反应，如给出报警信号、跳闸等。

图3 主程序流程图图4 中断程序流程图

主程序主要完成系统初始化、数据显示、键盘服务处理、信息检测处理等，主程序流程如图3 所示。

中断子程序中，根据故障性质完成自处理、故障报警、封锁触发脉冲、跳闸等。中断服务周期为载波周期，在每个中断服务周期内，先根据调制波相角与相位变量计算出当前三相相位，求得对应的正弦值，再由振幅调制深度值和正弦值计算出3个相位比较器寄存值。中断程序流程如图4所示。

4 结 语

笔者设计的变频装置在保持传统的PWM逆变桥工作方式不变的情况下，外加一个和负载并联的辅助谐振电路，用辅助开关控制使谐振过程仅仅工作在逆变开关工作状态改变的瞬间，对辅助电路中开关功率的要求较小，又能为逆变桥上的所有开关和二极管的过渡状态提供软开关条件。该设计减小了电路损耗和器件体积，提高了效率，节省了成本。该装置通过实际安装调试，已达到较理想的效果。

[1]陈国呈. PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京:机械工业出报社,2001.

[2]王延才. 变频器原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3]明正峰，钟彦儒. 一种用于电机驱动的谐振ZVT-PWM三相逆变器[J].电机与控制学报,2001,5(4):246～250.

[4]刘复华. 8xC196KX 单片机及其应用系统设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[编辑] 易国华

TN773

A

1673-1409(2009)04-N073-02