大功率软开关变流器的拓扑研究

摘要

在电力电子变流装置朝小型化、高频化、高效化发展的背景下，传统硬开关变流装置面临着以下几点发展限制因素：开关频率低，开关损耗大，开关应力大。单纯提高硬开关变流器开关频率会导致变流器在散热系统设计上遭遇瓶颈。因此，以开关频率显著提高，开关损耗显著减小，电磁干扰影响显著减轻为基本特点的软开关变流器将会是变流器一个重要的发展方向。
　　本文主要研究辅助谐振换流极(Auxiliary Resonant Commutated Pole，简称ARCP)软开关技术在大功率PWM变流器拓扑中的应用。该技术属于零电压转移软开关技术(ZVT)。该拓扑的优势集中体现在：辅助桥臂的引入不会对硬开关拓扑的控制算法产生影响，基本消除了主开关器件的开关损耗，在改善变流器输出性能的同时能够降低滤波电路和散热系统的设计要求。
　　在分析ARCP-ZVT软开关拓扑工作原理的基础上，本文提出了一套单个开关周期内ARCP软开关拓扑的损耗模型，研究了各种换流方式下软开关功率模块的损耗分布。
　　本文还讨论了一种兼顾损耗最小和软开关技术可控性最优的谐振元件参数(谐振电感、吸收电容)选取原则。遵循该原则可以在理论上实现ARCP软开关拓扑谐振过程损耗的最小化。
　　在国内外学者的研究成果和经验基础上本文还针对大功率ARCP软开关变流器辅助桥臂的控制方法进行了研究，提出了若干保证软开关换流顺利完成的控制策略。
　　利用软开关变流器实验平台，完成了应用ARCP软开关技术的变流器单相双脉冲实验，包括硬开关实验、软开关实验、控制参数和硬件杂散参数对软开关换流过程的影响实验以及不同谐振参数下的开关损耗对比实验。实验结果表明：应用ARCP软开关技术的变流器单相桥臂实现了开关器件的零电压开通，大大减小了开关器件的关断损耗；验证了本文对控制参数以及硬件杂散参数对零电压开关实现和开关损耗影响的分析。同时，在实验中发现，由于自制电感的杂散参数(主要是等效串联阻抗)比较大，导致ARCP换流过程的损耗比较大，这种情况在低压大电流应用条件下会更加明显。