1 引言

　　電動汽車的發(fā)展是節(jié)約石油資源及減少大氣污染的重要途徑。電動汽車的能源效率高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，可以利用再生回饋制動有效回收制動減速及下坡時的能量，適宜城市復(fù)雜工況。由于電力可以由煤炭、水力、核能、太陽能、風(fēng)力等一次能源轉(zhuǎn)化得到，電動汽車的大量應(yīng)用可有效減少對石油的過度依賴。夜間集中給蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷[1]。

　　電動汽車包括純電動汽車、混和動力汽車及燃料電池汽車，均需要電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)提供汽車動力。盡管出于系統(tǒng)簡單性和控制器成本的考慮，目前還有一些簡單的電動汽車選用直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，但基于交流驅(qū)動系統(tǒng)的固有優(yōu)勢，直流驅(qū)動系統(tǒng)正逐步被淘汰[1][2][4]。

　　逆變器是交流驅(qū)動系統(tǒng)中直流供電向交流驅(qū)動轉(zhuǎn)換的功率變換環(huán)節(jié)。電動汽車所用逆變器需要滿足很高要求：高功率密度，高效率，易于冷卻，低噪聲，符合電磁兼容性(emc)標(biāo)準(zhǔn)，安全可靠等等。因此，包括軟開關(guān)在內(nèi)的許多新型電力電子技術(shù)被研究以期應(yīng)用于電動汽車[2][3]。

　　2 軟開關(guān)逆變器

　　功率開關(guān)器件及其構(gòu)成的電路中都存在寄生參數(shù)，且開關(guān)切換不可能瞬間完成。這就會導(dǎo)致硬開關(guān)存在下述問題：開關(guān)損耗大，且與開關(guān)頻率成比例增長;dv/dt以及di/dt大，由此產(chǎn)生的電壓及電流尖峰會超出開關(guān)器件的安全工作區(qū)，威脅器件的安全;高的dv/dt及di/dt還會帶來嚴(yán)重的電磁干擾[7]。

　　軟開關(guān)技術(shù)能有效改善這些問題：在電壓或電流過零時實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)切換而達(dá)到理論上的零開關(guān)損耗。

　　軟開關(guān)技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用最早引起廣泛關(guān)注的是美國wisconsin大學(xué)的divan在80年代末提出的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(rdcl)，僅增加一個電感和電容就可以使得逆變器的開關(guān)頻率提高一個數(shù)量級，其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

　　圖1 rdcl電路拓?fù)?/P>

　　近年來，各國學(xué)者們提出了更多具備不同特性的軟開關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。按照輔助電路所處位置，現(xiàn)有的軟開關(guān)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可以分為直流側(cè)和交流側(cè)兩類。其中，直流側(cè)軟開關(guān)逆變器大致分為：諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(rdcl)，準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(qrdcl)，直流母線零電壓過渡逆變器(dc-railzvt)和直流母線零電流過渡逆變器(dc-rail zct)。交流側(cè)則可以分為：零電壓逆變器(zvt)和零電流逆變器(zct)。

　　2.1 直流側(cè)軟開關(guān)逆變器

　　(1) 諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(rdcl)

　　這種方案是通過“軟化”直流母線電壓為功率器件的開關(guān)切換創(chuàng)造過零狀態(tài)[5]。缺點(diǎn)在于：諧振電壓的峰值很高，增加了功率器件的電壓應(yīng)力;電壓過零點(diǎn)與逆變器開關(guān)策略不同步，只能采用離散pwm控制(dpwm)，由此產(chǎn)生了大量的輸出諧波。近年來也有一些改進(jìn)方案通過增加一個或兩個輔助開關(guān)來改善上述問題，使得電壓應(yīng)力降低近一倍，但也會增加額外的器件體積和費(fèi)用。

　　(2) 準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(qrdcl)

　　qrdcl能夠減小器件的電壓應(yīng)力和應(yīng)用常規(guī)pwm控制[6]。其優(yōu)點(diǎn)是：電壓開關(guān)應(yīng)力不會超過直流母線電壓;功率器件的開關(guān)點(diǎn)可以選擇在任意時刻，很容易應(yīng)用常規(guī)pwm控制策略。其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。缺點(diǎn)是其輔助開關(guān)結(jié)構(gòu)和控制都比較復(fù)雜。

　　圖2 qrdcl電路拓?fù)?/P>

　　(3) 直流母線零電壓過渡逆變器(dc-rail zvt)

　　dc-rail zvt需要的開關(guān)器件較少，如圖3所示[7]。但由于功率器件串在直流母線中，因此導(dǎo)通損耗較大。

　　圖3 dc-rail zvt電路拓?fù)?/P>

　　(4) 直流母線零電流過渡逆變器(dc-rail zct)

　　dc-rail zct采用兩個輔助開關(guān)來減小主開關(guān)器件的關(guān)斷損耗，如圖4所示[8]。但串接在直流母線中的輔助開關(guān)會在大電流的情況下發(fā)生關(guān)斷，引起較大的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。此外，每個主開關(guān)器件都串接了一個諧振電感，這會導(dǎo)致零電流關(guān)斷失敗時器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力。

　　圖4 dc-rail zct電路拓?fù)?/P>

　　2.2 交流側(cè)軟開關(guān)逆變器

　　交流側(cè)軟開關(guān)逆變器的輔助開關(guān)不在能量流動的主要通道，導(dǎo)通損耗得到了減小，因此大功率應(yīng)用場合通常會采用這種軟開關(guān)技術(shù)。其中，zvt可以采用六個或更少的輔助開關(guān)，而目前已有的zct方案通常采用六個輔助開關(guān)。

　　(1) 零電壓逆變器(zvt)

　　文獻(xiàn)[9]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(arcp)實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)器件的零電壓導(dǎo)通和輔助開關(guān)的零電流關(guān)斷，同時緩沖電容降低了功率器件的關(guān)斷損耗，如圖5所示。但這種方法需要直流母線提供一個中點(diǎn)電位，會引起平衡充電的問題，也會使得某些pwm方法無法應(yīng)用。而且，由于每相的輔助開關(guān)都是背靠背形式，無法為諧振電感提供至直流母線的電流回饋通道，為正常工作，必須提供額外的保護(hù)電路。

　　文獻(xiàn)[10]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了上述問題，如圖6所示。但這種拓?fù)湫枰詈想姼校w積笨重，設(shè)計困難，難以應(yīng)用在大功率場合。

　　此外，文獻(xiàn)[11]和[12]等還提出了采用一個或兩個輔助開關(guān)器件的簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了給主開關(guān)器件提供軟開關(guān)條件，這些zvt解決方案需要主開關(guān)器件的同步開通。

　　(2) 零電流逆變器(zct)

　　二極管反向恢復(fù)及關(guān)斷損耗是igbt、gto、igct等開關(guān)損耗的主要來源。zvt必須借助較大的緩沖電容減小這類損耗(見圖7)。但當(dāng)緩沖電容太大的時候，其儲存的能量會引起額外的開通損耗。而zct可以不通過緩沖電容等無源器件來減小開關(guān)損耗，其特點(diǎn)主要是：當(dāng)相對的主開關(guān)器件開通的時候，主二極管中仍會保持一定的電流;主開關(guān)器件的開通發(fā)生在滿額直流電壓下;諧振電容應(yīng)力較大。為滿足大功率應(yīng)用的要求，近來還出現(xiàn)了兆瓦級的多電平軟開關(guān)逆變器[15][16]，提供更高的電壓輸出能力和較小的電壓畸變。

　　圖7 zct電路拓?fù)?/P>

　　3 軟開關(guān)逆變器與電動汽車

　　電動汽車在電機(jī)及其驅(qū)動控制器的效率、噪聲、電磁干擾(emi)等方面有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)逆變器采用硬開關(guān)技術(shù)，開關(guān)損耗較大，電磁干擾較強(qiáng)。因此，一些研究者開始在電動汽車中嘗試采用軟開關(guān)逆變器。

　　j.s. lai在1996年提出了一種應(yīng)用于電動汽車的諧振緩沖器軟開關(guān)逆變器。其單相拓?fù)淙鐖D8所示。它通過輔助開關(guān)和諧振電感為主開關(guān)器件提供零電壓開關(guān)條件，且輔助開關(guān)電路的體積較小，逆變器的效率得到了較大提升，降低了dv/dt和emi。

　　圖8 諧振緩沖器軟開關(guān)逆變器單相拓?fù)?/P>

　　美國texas a&m大學(xué)的m.ehsani等肯定了軟開關(guān)技術(shù)在減小開關(guān)應(yīng)力以及降低開關(guān)損耗方面的優(yōu)勢。但同時認(rèn)為軟開關(guān)逆變器需要有源及無源器件構(gòu)成輔助電路，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)可靠性。因此建議考慮建立一個合理的軟開關(guān)技術(shù)在電動汽車中應(yīng)用的綜合評價體系。

　　文獻(xiàn)[18]針對不同的驅(qū)動電機(jī)和循環(huán)工況(城市工況及高速公路工況)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，若僅僅從效率角度考察，由于混和動力汽車的能量有燃油補(bǔ)充，開關(guān)損耗帶來的能量損失與軟開關(guān)逆變器增加的復(fù)雜性相比是微不足道的。

　　美國vpec的研究小組對用于電動汽車的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軟開關(guān)逆變技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入研究。

　　文獻(xiàn)[19]提出為改善電機(jī)電流波形和減小濾波裝置的體積，應(yīng)當(dāng)增加逆變器的開關(guān)頻率。而這樣做所帶來的開關(guān)損耗可以通過采用軟開關(guān)技術(shù)來解決，并給出了仿真結(jié)果。

　　文獻(xiàn)[20]對五種類型的負(fù)載側(cè)軟開關(guān)逆變器進(jìn)行了研究，并對軟開關(guān)逆變器的效率進(jìn)行了建模仿真。結(jié)果表明zvtsi和zvtss會引發(fā)主功率器件額外的關(guān)斷損耗和輔助器件的非零電流開關(guān)而導(dǎo)致效率較低。而arcp、zct和zvtci同傳統(tǒng)逆變器相比具有較高效率。

　　文獻(xiàn)[21]介紹了其所研制的三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的50kw軟開關(guān)逆變器和實(shí)驗樣機(jī)：采用六個輔助功率器件的zct，arcpzvt以及采用三個輔助功率器件的zct。通過大量實(shí)驗同傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變器在效率、體積、emi、成本等許多方面進(jìn)行了比較，如附表及圖9所示。結(jié)果表明，在600v電壓等級的功率器件和20khz以下的開關(guān)頻率時，軟開關(guān)逆變器并未在效率方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，而且僅有arcpzvt明顯降低了傳導(dǎo)emi。考慮到這些軟開關(guān)逆變器都需增加較大的體積和費(fèi)用，軟開關(guān)技術(shù)并沒有明顯的綜合性能優(yōu)勢。

　　圖9 三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軟開關(guān)逆變器的效率比較

　　4 結(jié)束語

　　總體來看，由于電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)功率較大，同時對逆變器的體積、重量、成本等方面有著苛刻要求，功率器件的選擇范圍和開關(guān)頻率也有著一定的限制。因此，基于目前的技術(shù)水平，軟開關(guān)逆變器同傳統(tǒng)逆變器相比并未在電動汽車的應(yīng)用中獲得明顯的綜合優(yōu)勢。但軟開關(guān)逆變器在減小功率器件應(yīng)力以及減小系統(tǒng)emi方面確實(shí)有著難以替代的作用。輔助開關(guān)電路簡單，體積較小的軟開關(guān)逆變器會在今后得到更大的關(guān)注。

　　隨著包括碳化硅(sic)在內(nèi)的新型功率器件水平的提高及軟開關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟開關(guān)逆變器在裝置體積、成本及系統(tǒng)可靠性方面一定會取得較大突破，從而在電動汽車的應(yīng)用中占據(jù)應(yīng)有的位置。

　　與此同時，軟開關(guān)技術(shù)在電動汽車中的dc/dc、地面充電機(jī)等功率較小或體積重量要求不嚴(yán)格的裝置中有著良好的應(yīng)用前景，并且已經(jīng)出現(xiàn)了相關(guān)的研究成果。