一种新型开关磁阻电机软开关功率电路

杨晋岭,张英俊，谢斌红

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.太原科技大学 计算机学院，山西 太原 030024)

一种新型开关磁阻电机软开关功率电路

杨晋岭1,张英俊2，谢斌红2

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.太原科技大学 计算机学院，山西 太原 030024)

针对开关磁阻电机调速系统的开关器件在工作过程中，会产生大的电磁干扰和大的功率损耗问题，提出了一种基于新型电容分压并联谐振直流环的功率变换电路拓扑。该电路是在传统的硬开关不对称逆变桥的各开关器件上并联缓冲电容，实现对相开关的零电压关断；同时，在直流母线上加入一个由二个电感与一个电容为主要组成元件的谐振环，通过对此谐振环中谐振开关的合理控制，即可实现对相开关的零电压开通及对谐振开关的零电流或零电压软通断。通过对功率电路工作原理和动作模式过程的分析，得出需满足的软开关条件。具有此谐振环的软开关变换器，有效区间大、功率损耗小，因而提高了开关磁阻电机调速系统的效率和性能。用Matlab仿真实验验证了此电路的正确性与有效性。

开关磁阻电机；软开关；并联准谐振直流环；功率变换电路

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)采用双凸极结构，转子无线圈，具有结构简单、工作可靠、容错能力强的特点[1-3]。由其构成的开关磁阻电机调速系统(SRD)，已被越来越多地应用于环境恶劣而要求安全性能高的煤矿领域。如应用于采煤机、局部通风机和带式输送机等[4-7]。但是，作为组成SRD的重要部件—功率器件，在开关过程中，会产生电磁干扰(du/dt,di/dt)和开关损耗(p=ui)问题。这些问题不仅会降低逆变器效率，还会增加功率器件热量，降低系统的可靠性。尤其在频率较高、功率较大时，此问题更为突出。对此，一种有效地解决手段是采用软开关技术。

近些年，研究人员提出了许多软开关的拓扑结构，但能应用于SRD，或有关SRD方面软开关技术的文献报道较少[8-14]，因此还需在这方面，进一步丰富和完善。如文献[8]提出的电路拓扑，在一定程度上改善了系统的性能，但其相开关没能完全实现软通断。文献[9-10]提出的电路拓扑仅适用于单开关SR电机变换器。文献[11]采用谐振电感与逆变桥串联方式，电机绕组及谐振回路所需电流均须经过谐振电感,使电感本身的容量、体积和损耗都较大，效率较低。文献[12-13]提出了并联准谐振直流环变换器，在直流母线上并联谐振环，提高了通用性及母线的利用率，但跨接在母线上的开关影响系统的可靠性。

鉴于以上问题，笔者提出了一种新型基于电容分压并联谐振直流环的SRD软开关变换器电路。该电路具有以下特点：① 直流母线电压充放电的过渡期短，有效保持区间大；② 谐振电感和谐振电容的容量较小，功率损耗小；③ 所有开关均实现了软通断，且其承受的电压不超过直流电源电压；④ 直流母线零电压槽的持续时间可根据实际情况自由选择，具有良好的可控性能；⑤ 辅助开关器件没有直接跨接在直流母线上，从而克服了母线电压不为零时，因其误导通而发生短路的可能；⑥ 谐振元件的参数不随负载参数的变化而变化，有良好的通用性。

1 软开关变换器电路拓扑分析

1.1 电路拓扑

新型的电容分压并联谐振直流环(Capacitor Divider Parallel Resonant DC Link,CDPRDCL)SRD软开关变换器如图1所示，电路由新型电容分压并联谐振直流环①和改进的不对称逆变桥②组成。其中，电容分压并联谐振直流环包括：4个相同的电解电容CF1～CF4，4个相同的均压电阻R1～R4，实现电源电压均分平衡；1个谐振电容Cr，2个相同的谐振电感Lr和Lr1，2个辅助二极管VDr2和VDr3，3个辅助开关器件Va1～Va3及其反并联二极管VDa1～VDa3，组成谐振回路，为其后的逆变桥提供零电压开通条件。改进的不对称逆变电桥，是在硬开关不对称电桥的基础上[14-15]，给每个相开关并联了一个缓冲电容，分别为C1～C6，实现对各相开关的零电压软关断。直流电源Ud经此变换器给6/4极SRM相绕组驱动电路供电。为了简化分析，本电路做了以下假设：电路中所有开关元件及二极管均作为理想器件。由于负载电感值远大于谐振电感值，且PWM频率较高，因此在一个开关周期中，可近似认为负载电流为恒流I0，其数值取决于各相电流及PWM的占空比。

图1 电容分压并联谐振直流环节SRD功率变换电路Fig.1 The circuit structure of CDPRDCL SRD converter

1.2 谐振工作模式分析

此谐振电路工作过程可分为两大阶段：PWM工作模式阶段和换相阶段。

1.2.1PWM工作模式阶段

以图1的A相为例说明其PWM软开关控制过程。电路采用单管斩波方式，即在V2保持开通条件下，V1采用PWM斩波方式。图2为一个PWM斩波周期，7种模式阶段的控制时序及谐振波形。其中,SV1为开关V1的触发信号；SVa1，SVa2，SVa3分别为开关Va1，Va2，Va3的触发信号；iLr，iLr1为谐振电感Lr及Lr1电流；uCr为谐振电容Cr电压。

图2 时序及谐振波形Fig.2 The time sequence and resonant waveforms of CDPRDCL converter

(1)模式a(～t0)，初始阶段。开关Va2，Va3保持断态，开关Va1，V1保持通态，uCr为Ud，电源给A相供电。

(2)模式b(t0～t1)，延迟阶段。在t0时刻，关断开关V1。由于电容C1与开关V1并联，所以此关断为ZVS关断。此时，负载电流经开关V2→VD2续流,母线回路电流为零。t1时刻，关断辅助开关Va1。因电容电压uCr初始为Ud，不能突变，所以开关Va1关断为ZVZCS关断。设延迟时间为T0=t1-t0。

(3)模式c(t1～t2)，放电阶段。在关断开关Va1的同时，开通辅助开关Va2。uCr由Ud通过Va2→VDr2→Lr→CF4回路放电。因iLr不能突变，所以辅助开关Va2为ZCS开通。iLr由0逐渐增大，同时uCr由Ud逐渐减小。当uCr降为Ud/4时，iLr达负的最大值。之后，uCr，iLr都衰减。t2时刻，uCr，iLr分别减小至0。由于二极管VDr2的反向截止作用，使Cr与Lr谐振结束。此时，关断Va2，此关断属ZVZCS关断。模式表达式为

(1)

(2)

(3)

谐振为半个谐振周期，所以，持续时间为

(4)

(4)模式d(t2～t3)，零电压阶段。在此阶段，直流母线电压已为零。闭合开关V1，属ZVS闭合。此段时长可通过触发Va3的时刻自由调节。设该时段时长T2=t3-t2。

(5)模式e(t3～t4)，谐振电感电流与负载电流平衡阶段。t3时刻，开通开关Va3，此为ZCS开通。此时电感电流流经的路径为：Lr1→Va3→VDr3→V1→A相→V2。在随iLr1线性增加的同时，续流二极管VD1的电流iVD1线性减小。t4时刻，iLr1与A相负载电流I0相等，VD1被反向截止。此模式表达式为

(5)

此时段时长，

(6)

(6)模式f(t4～t5)，谐振电容充电阶段。t4之后，电感电流iLr1开始大于负载电流I0且继续增加。其中，iLr1一部分电流与负载电流I0相平衡；另一部分电流流经电容Cr，并产生谐振。此时，电容电压uCr由零开始上升。此模式表达式为

(7)

当uCr上升至3Ud/4时，Lr1两端电压为零，iLr1达到最大值。之后，iLr1开始减小，Lr1开始释放能量，使uCr继续上升。t5时刻，即uCr升至Ud时，反并联二极管VDa1被正向导通，且uCr保持为Ud不变。此状态持续至iLr1降至负载电流I0结束。此过程用时半个谐振周期，时长表达式为

(8)

(7)模式g(t5～t6)，电源供电阶段。t5时刻，因uCr已升为Ud，所以开通Va1属ZVZCS开通。此时，负载电流I0由直流电源和电感电流iLr1共同提供。由于谐振电感Lr1两端反向施加Ud/4，所以其电流iLr1衰减速度较快。t6时刻，电感电流iLr1降为零，负载电流I0开始全由电源提供。此时，在反向电压作用下，二极管VDr3被反向截止。关断开关Va3，属ZVZCS关断。表达式为

(9)

该段时长，

(10)

之后，电路状态又回到初始模式a，准备开始下一周期的工作。

1.2.2换相模式阶段

当需换相，如需A相切换到B相时，存在两种可能的工作模式：① 单管模式，即V1为断态，开关V2需关断。此时，由于C2与V2并联，故此关断为ZVS关断。② 双管模式，即开关V1，V2同时由通态需关断。由于V1，V2分别并联电容C1，C2，故此关断为ZVS关断。无论哪一种工作模式，关断后，A相绕组续流的路径均为：A相→VD1→VDa1→电源Ud→VD2。对于B相V3，V4的开通时刻，应该在开关V4已由位置传感器触发，且母线电压谐振为零期间开通，属ZVS开通。依此方式，可分别对A→B→C→A换相。

2 实现软开关的条件

根据以上各工作模式过程分析，在元件参数确定的情况下，除了T0，T2可调整外，其它模式时间都是确定的。设，

(11)

相开关最高频率应满足：fmax≤1/T。

(12)

式中，Imax为充电谐振支路对应的最大电流值；Tx为电容电压由3Ud/4升至Ud时所用的时间；Za为负载阻抗。

否则，谐振开关Va1不能满足零电压软开通，Va3不能零电流关断。

当然，Lr与Cr的比值也不宜过大，否则会影响系统性能，甚至会使Va1，Va2不能实现软通断。

综上所述，Lr与Cr的参数选择，应综合考虑PWM周期、式(12)及iVa2应在关断Va2之前已衰减为零等条件。

3 仿真及结果分析

为了验证电路拓扑的可行性与理论分析，本文采用Matlab软件对SRM功率电路进行了数字仿真。谐振元件参数和电机一组参数值见表1。

设T0=3 μs，T2=15μs，并根据各模式的结果和元件参数，得其时间参数，见表2。

由式(11)得，最小周期不能低于29.81μs。选PWM开关周期T为100μs，即频率为10kHz。

表1实验电路元件参数
Table1AsetofcircuitparameterofCDPRDCLcircuit

Ri/WLi/mHUd/VLr，Lr1/μHCr/nFCi/pF21528010250 1

表2各模式时间值
Table2Thecalculatingvaluesofintervalsineverymode

μs

3.1 开关元件仿真结果分析

在一个开关周期内，各开关元件的控制信号、uCr，iLr及iLr1的仿真波形如图3所示。可以看出，当辅助开关Va1关断，Va2闭合时，电容电压uCr由Ud开始放电至零；谐振电感Lr电流迅速增至最大值约10.45A，而后衰减至零。在母线电压为零期间，相开关V1开通。当辅助开关Va3闭合后，电源开始经Lr1给相绕组供电，iLr1由零直线上升至相绕组电流I0。随着iLr1的进一步增加，uCr开始由零迅速上升至Ud。之后，辅助开关Va1闭合，iLr1经过峰值电流约为112.9A后开始减小。当谐振电感电流iLr1衰减至零后，Va3关断。可见，此仿真结果与理论分析一致。

图3 SRD变换器的控制时序及谐振波形Fig.3 The resonant simulation waveforms of SRD converter

图4(a)为相开关V1通断时的控制信号、电流和电压波形。在SV1变为高电平时，uV1已为零；iV1突变为负载电流的一半(这是因为在V1开通时，一半负载续电流经VD1→V1支路；另一半负载续电流经V2→VD2支路)，故V1在ZVS条件下开通。V1关断时的时间轴局部放大如图4(b)所示。可以看出，当iV1降为零后，uV1由零开始上升，所以V1在ZVS条件下关断。

谐振电路3个开关Va1，Va2，Va3的触发信号、电流和电压波形如图5所示。可以看出，Va1为ZVZCS关断，ZVZCS开通；Va2为ZCS开通，ZVZCS关断；Va3为ZCS开通，ZVZCS关断。

以上结果得知，此变换器的所有开关器件都实现了软通断。

3.2 谐振元件功率损耗及过渡速度分析

电路功率损耗一般由两部分组成：开关损耗和导通损耗。由以上分析得知，电路中所有开关元件的开关损耗为零。因此，在负载参数相同，且忽略谐振电感及谐振电容损耗的条件下，电路的功率损耗大小，是由谐振开关及二极管的导通损耗来确定。谐振电路总功pr耗表达式为

图4 相V1开关软开关波形Fig.4 The soft-switching simulation waveforms of V1

图5 辅助开关Va1，Va2及Va3波形Fig.5 Auxiliary-switch waveforms of Va1,Va2 and Va3

(13)

式中，fc为开关频率；uCE为开关或二极管的通态压降；iLr(t)为随时间变化的谐振电流。

针对功率损耗，在频率、负载、谐振开关及二极管参数相同的条件下，本电路与文献[14]提出的软开关功率电路进行了比较。图6(a)为文献[14]的谐振电压和电流波形，图6(b)为本设计的谐振电压和电流波形。由两图的仿真结果，可以看出：图6(a)的谐振元件在直流母线零电压阶段和母线电压过渡阶段(即母线电压由Ud过渡到0及由0过渡到Ud)有功耗，而在高电平保持阶段无功耗；本电路的谐振元件仅在母线电压过渡阶段有功耗，而在零电压凹槽阶段和高电平保持阶段无功耗。并在此基础上，得出了二谐振电路不同负载条件下的功率损耗，如图7所示。可以看出，文献[14]的谐振功耗随负载的变化不明显，其值约为51.1W。本设计电路，满负载时，谐振损耗约为42.79W，小于文献[14]的功耗。并且随着负载的减小，谐振功耗进一步减小。这是由于谐振电感Lr1的导通时长及最大电流值与负载电流I0有关。因此，与文献[14]的软开关变换器相比，本电路的功率损耗较小。

图6 谐振电容电压及电感电流波形Fig.6 The waveforms of uCr and iLr

图7 谐振环功耗曲线Fig.7 Power loss curves of resonant link

在一个PWM斩波周期内，母线电压的高、低电平所占区间的大小与PWM的占空比有关。减小母线电压的过渡时间，有利于扩大PWM的有效区间，改善系统的工作性能。由图6可知，母线电压的过渡时间分别为：1.05×2=2.1μs和0.85×2=1.7 μs。可见，图6(b)中的电压过渡时间较短，即在相同周期内，本设计电路的母线电压有效区间大，系统性能佳。

4 结 论

提出的新型分压并联谐振直流环软开关逆变电路，与相关文献提出的逆变电路相比，其谐振电感在充、放电回路中接于不同母线分压处，可有效地缩短直流母线充、放电的过渡时间，扩大其有效区间，从而提高了系统工作的性能。此辅助谐振电路与逆变桥并联，且仅在母线充、放电的过渡期被导通，使谐振元件在减小容量的同时，也减小了导通时间，降低了变换电路的功率损耗，提高了效率。

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《煤炭学报》综合排名挺进前十名

2013年9月27日，中国科技期刊论文统计结果发布，《中国科技期刊引证报告(核心版)》统计指标显示：《煤炭学报》总被引频次达到了3 812，影响因子达到了1.238，综合评价总分为93.8分，综合评价总分在统计的1994种科技核心期刊中名列第9位。相比2012年的各项指标(总被引频次3 191次、影响因子1.119、综合评价总分82分、综合排名第34位等)，2013年又上了一个新台阶。

AnewSRMsoftswitchingpowercircuit

YANG Jin-ling1,ZHANG Ying-jun2,XIE Bin-hong2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2.SchoolofComputerScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

With regard to the electromagnetic interference and power loss generated in the operation of the switches in switched reluctance motor drive(SRD)system,the paper proposed a converter with a new kind of capacitor divider parallel resonant DC link(CDPRDCL).The converter was to realize the zero-voltage-turn-off of the phase switches by connecting one buffer capacitor to each switch in conventional asymmetric inverters;and to realize the zero-voltage-turn-on of the phase switches,and the soft operation of the resonant switches,by adding a resonant link containing,as the main components,two inductors and one capacitor and through reasonably controlling the resonant switches in this link.The required condition for soft-switching was obtained by analyzing the working principle and operation process of the circuit.The soft-switching converter with such a resonant link has a larger effective interval and a lower power loss,thereby enhancing the efficiency and performances of SRD.Finally,the validity and efficiency of the converter are verified by MATLAB simulation.

switched reluctance motor;soft-switching;parallel resonant DC link；converter circuit

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0215

山西省科技重大专项计划基金资助项目(20121101001);山西省科技攻关基金资助项目(20100322004);山西省国际合作计划基金资助项目(20110081033)

杨晋岭(1971—)，男，山西河津人，讲师。Tel:0351-2354881，E-mail:yjlyjl98@sina.com

TM352

A

0253-9993(2014)01-0179-07

杨晋岭,张英俊，谢斌红.一种新型开关磁阻电机软开关功率电路[J].煤炭学报,2014,39(1):179-185.

Yang Jinling,Zhang Yingjun,Xie Binhong.A new SRM soft switching power circuit[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):179-185.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0215