軟開(kāi)關(guān)逆變器在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

　　1 引言

　　電動(dòng)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(dòng)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(dòng)有效回收制動(dòng)減速及下坡時(shí)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(yáng)能、風(fēng)力等一次能源轉(zhuǎn)化得到，電動(dòng)汽車的大量應(yīng)用可有效減少對(duì)石油的過(guò)度依賴。夜間集中給蓄電池充電，還可以避開(kāi)用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷[1]。

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

　　逆變器是交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中直流供電向交流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的功率變換環(huán)節(jié)。電動(dòng)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(kāi)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(dòng)汽車[2][3]。

　　2 軟開(kāi)關(guān)逆變器

　　功率開(kāi)關(guān)器件及其構(gòu)成的電路中都存在寄生參數(shù)，且開(kāi)關(guān)切換不可能瞬間完成。這就會(huì)導(dǎo)致硬開(kāi)關(guān)存在下述問(wèn)題：開(kāi)關(guān)損耗大，且與開(kāi)關(guān)頻率成比例增長(zhǎng);dv/dt以及di/dt大，由此產(chǎn)生的電壓及電流尖峰會(huì)超出開(kāi)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(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾[7]。

　　軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能有效改善這些問(wèn)題：在電壓或電流過(guò)零時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換而達(dá)到理論上的零開(kāi)關(guān)損耗。

　　軟開(kāi)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(guó)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(gè)電感和電容就可以使得逆變器的開(kāi)關(guān)頻率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(lái)，各國(guó)學(xué)者們提出了更多具備不同特性的軟開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)渡逆變器(dc-railzvt)和直流母線零電流過(guò)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(kāi)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(guò)“軟化”直流母線電壓為功率器件的開(kāi)關(guān)切換創(chuàng)造過(guò)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(guò)零點(diǎn)與逆變器開(kāi)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(lái)也有一些改進(jìn)方案通過(guò)增加一個(gè)或兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)來(lái)改善上述問(wèn)題，使得電壓應(yīng)力降低近一倍，但也會(huì)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(kāi)關(guān)應(yīng)力不會(huì)超過(guò)直流母線電壓;功率器件的開(kāi)關(guān)點(diǎn)可以選擇在任意時(shí)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(kāi)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(guò)渡逆變器(dc-rail zvt)

　　dc-rail zvt需要的開(kāi)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(guò)渡逆變器(dc-rail zct)

　　dc-rail zct采用兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)來(lái)減小主開(kāi)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(kāi)關(guān)會(huì)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(gè)主開(kāi)關(guān)器件都串接了一個(gè)諧振電感，這會(huì)導(dǎo)致零電流關(guān)斷失敗時(shí)器件承受較大的開(kāi)關(guān)應(yīng)力。

　　圖4 dc-rail zct電路拓?fù)?/P>

　　2.2 交流側(cè)軟開(kāi)關(guān)逆變器

　　交流側(cè)軟開(kāi)關(guān)逆變器的輔助開(kāi)關(guān)不在能量流動(dòng)的主要通道，導(dǎo)通損耗得到了減小，因此大功率應(yīng)用場(chǎng)合通常會(huì)采用這種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。其中，zvt可以采用六個(gè)或更少的輔助開(kāi)關(guān)，而目前已有的zct方案通常采用六個(gè)輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的零電壓導(dǎo)通和輔助開(kāi)關(guān)的零電流關(guān)斷，同時(shí)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(gè)中點(diǎn)電位，會(huì)引起平衡充電的問(wèn)題，也會(huì)使得某些pwm方法無(wú)法應(yīng)用。而且，由于每相的輔助開(kāi)關(guān)都是背靠背形式，無(wú)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(wèn)題，如圖6所示。但這種拓?fù)湫枰詈想姼校w積笨重，設(shè)計(jì)困難，難以應(yīng)用在大功率場(chǎng)合。

　　此外，文獻(xiàn)[11]和[12]等還提出了采用一個(gè)或兩個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了給主開(kāi)關(guān)器件提供軟開(kāi)關(guān)條件，這些zvt解決方案需要主開(kāi)關(guān)器件的同步開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗的主要來(lái)源。zvt必須借助較大的緩沖電容減小這類損耗(見(jiàn)圖7)。但當(dāng)緩沖電容太大的時(shí)候，其儲(chǔ)存的能量會(huì)引起額外的開(kāi)通損耗。而zct可以不通過(guò)緩沖電容等無(wú)源器件來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗，其特點(diǎn)主要是：當(dāng)相對(duì)的主開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通的時(shí)候，主二極管中仍會(huì)保持一定的電流;主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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(lái)還出現(xiàn)了兆瓦級(jí)的多電平軟開(kāi)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(kāi)關(guān)逆變器與電動(dòng)汽車

　　電動(dòng)汽車在電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)技術(shù)，開(kāi)關(guān)損耗較大，電磁干擾較強(qiáng)。因此，一些研究者開(kāi)始在電動(dòng)汽車中嘗試采用軟開(kāi)關(guān)逆變器。

　　j.s. lai在1996年提出了一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的諧振緩沖器軟開(kāi)關(guān)逆變器。其單相拓?fù)淙鐖D8所示。它通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)和諧振電感為主開(kāi)關(guān)器件提供零電壓開(kāi)關(guān)條件，且輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)逆變器單相拓?fù)?/P>

　　美國(guó)texas a&m大學(xué)的m.ehsani等肯定了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在減小開(kāi)關(guān)應(yīng)力以及降低開(kāi)關(guān)損耗方面的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)認(rèn)為軟開(kāi)關(guān)逆變器需要有源及無(wú)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(gè)合理的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在電動(dòng)汽車中應(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)體系。

　　文獻(xiàn)[18]針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車的能量有燃油補(bǔ)充，開(kāi)關(guān)損耗帶來(lái)的能量損失與軟開(kāi)關(guān)逆變器增加的復(fù)雜性相比是微不足道的。

　　美國(guó)vpec的研究小組對(duì)用于電動(dòng)汽車的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軟開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。而這樣做所帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)解決，并給出了仿真結(jié)果。

　　文獻(xiàn)[20]對(duì)五種類型的負(fù)載側(cè)軟開(kāi)關(guān)逆變器進(jìn)行了研究，并對(duì)軟開(kāi)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(huì)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(kāi)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(kāi)關(guān)逆變器和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)：采用六個(gè)輔助功率器件的zct，arcpzvt以及采用三個(gè)輔助功率器件的zct。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)同傳統(tǒng)硬開(kāi)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(jí)的功率器件和20khz以下的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，軟開(kāi)關(guān)逆變器并未在效率方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，而且僅有arcpzvt明顯降低了傳導(dǎo)emi。考慮到這些軟開(kāi)關(guān)逆變器都需增加較大的體積和費(fèi)用，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)并沒(méi)有明顯的綜合性能優(yōu)勢(shì)。

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

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　總體來(lái)看，由于電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率較大，同時(shí)對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)逆變器同傳統(tǒng)逆變器相比并未在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中獲得明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。但軟開(kāi)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(kāi)關(guān)電路簡(jiǎn)單，體積較小的軟開(kāi)關(guān)逆變器會(huì)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(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟開(kāi)關(guān)逆變器在裝置體積、成本及系統(tǒng)可靠性方面一定會(huì)取得較大突破，從而在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中占據(jù)應(yīng)有的位置。

　　與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在電動(dòng)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。