软开关逆变器在电动汽车中的应用

　　1 引言

　　电动汽车的发展是节约石油资源及减少大气污染的重要途径。电动汽车的能源效率高于传统的内燃机汽车，可以利用再生回馈制动有效回收制动减速及下坡时的能量，适宜城市复杂工况。由于电力可以由煤炭、水力、核能、太阳能、风力等一次能源转化得到，电动汽车的大量应用可有效减少对石油的过度依赖。夜间集中给蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷[1]。

　　电动汽车包括纯电动汽车、混和动力汽车及燃料电池汽车，均需要电机及其驱动控制系统提供汽车动力。尽管出于系统简单性和控制器成本的考虑，目前还有一些简单的电动汽车选用直流电机作为驱动电机，但基于交流驱动系统的固有优势，直流驱动系统正逐步被淘汰[1][2][4]。

　　逆变器是交流驱动系统中直流供电向交流驱动转换的功率变换环节。电动汽车所用逆变器需要满足很高要求：高功率密度，高效率，易于冷却，低噪声，符合电磁兼容性(emc)标准，安全可靠等等。因此，包括软开关在内的许多新型电力电子技术被研究以期应用于电动汽车[2][3]。

　　2 软开关逆变器

　　功率开关器件及其构成的电路中都存在寄生参数，且开关切换不可能瞬间完成。这就会导致硬开关存在下述问题：开关损耗大，且与开关频率成比例增长;dv/dt以及di/dt大，由此产生的电压及电流尖峰会超出开关器件的安全工作区，威胁器件的安全;高的dv/dt及di/dt还会带来严重的电磁干扰[7]。

　　软开关技术能有效改善这些问题：在电压或电流过零时实现开关状态切换而达到理论上的零开关损耗。

　　软开关技术在逆变器中的应用最早引起广泛关注的是美国wisconsin大学的divan在80年代末提出的谐振直流环节逆变器(rdcl)，仅增加一个电感和电容就可以使得逆变器的开关频率提高一个数量级，其主回路拓扑结构如图1所示[5]。

　　图1 rdcl电路拓扑

　　近年来，各国学者们提出了更多具备不同特性的软开关逆变器拓扑结构。按照辅助电路所处位置，现有的软开关逆变器电路拓扑结构大致可以分为直流侧和交流侧两类。其中，直流侧软开关逆变器大致分为：谐振直流环节逆变器(rdcl)，准谐振直流环节逆变器(qrdcl)，直流母线零电压过渡逆变器(dc-railzvt)和直流母线零电流过渡逆变器(dc-rail zct)。交流侧则可以分为：零电压逆变器(zvt)和零电流逆变器(zct)。

　　2.1 直流侧软开关逆变器

　　(1) 谐振直流环节逆变器(rdcl)

　　这种方案是通过“软化”直流母线电压为功率器件的开关切换创造过零状态[5]。缺点在于：谐振电压的峰值很高，增加了功率器件的电压应力;电压过零点与逆变器开关策略不同步，只能采用离散pwm控制(dpwm)，由此产生了大量的输出谐波。近年来也有一些改进方案通过增加一个或两个辅助开关来改善上述问题，使得电压应力降低近一倍，但也会增加额外的器件体积和费用。

　　(2) 准谐振直流环节逆变器(qrdcl)

　　qrdcl能够减小器件的电压应力和应用常规pwm控制[6]。其优点是：电压开关应力不会超过直流母线电压;功率器件的开关点可以选择在任意时刻，很容易应用常规pwm控制策略。其典型拓扑结构如图2所示。缺点是其辅助开关结构和控制都比较复杂。

　　图2 qrdcl电路拓扑

　　(3) 直流母线零电压过渡逆变器(dc-rail zvt)

　　dc-rail zvt需要的开关器件较少，如图3所示[7]。但由于功率器件串在直流母线中，因此导通损耗较大。

　　图3 dc-rail zvt电路拓扑

　　(4) 直流母线零电流过渡逆变器(dc-rail zct)

　　dc-rail zct采用两个辅助开关来减小主开关器件的关断损耗，如图4所示[8]。但串接在直流母线中的辅助开关会在大电流的情况下发生关断，引起较大的导通损耗和关断损耗。此外，每个主开关器件都串接了一个谐振电感，这会导致零电流关断失败时器件承受较大的开关应力。

　　图4 dc-rail zct电路拓扑

　　2.2 交流侧软开关逆变器

　　交流侧软开关逆变器的辅助开关不在能量流动的主要通道，导通损耗得到了减小，因此大功率应用场合通常会采用这种软开关技术。其中，zvt可以采用六个或更少的辅助开关，而目前已有的zct方案通常采用六个辅助开关。

　　(1) 零电压逆变器(zvt)

　　文献[9]提出的拓扑结构(arcp)实现了主开关器件的零电压导通和辅助开关的零电流关断，同时缓冲电容降低了功率器件的关断损耗，如图5所示。但这种方法需要直流母线提供一个中点电位，会引起平衡充电的问题，也会使得某些pwm方法无法应用。而且，由于每相的辅助开关都是背靠背形式，无法为谐振电感提供至直流母线的电流回馈通道，为正常工作，必须提供额外的保护电路。

　　文献[10]提出的拓扑结构避免了上述问题，如图6所示。但这种拓扑需要耦合电感，体积笨重，设计困难，难以应用在大功率场合。

　　此外，文献[11]和[12]等还提出了采用一个或两个辅助开关器件的简化拓扑结构。为了给主开关器件提供软开关条件，这些zvt解决方案需要主开关器件的同步开通。

　　(2) 零电流逆变器(zct)

　　二极管反向恢复及关断损耗是igbt、gto、igct等开关损耗的主要来源。zvt必须借助较大的缓冲电容减小这类损耗(见图7)。但当缓冲电容太大的时候，其储存的能量会引起额外的开通损耗。而zct可以不通过缓冲电容等无源器件来减小开关损耗，其特点主要是：当相对的主开关器件开通的时候，主二极管中仍会保持一定的电流;主开关器件的开通发生在满额直流电压下;谐振电容应力较大。为满足大功率应用的要求，近来还出现了兆瓦级的多电平软开关逆变器[15][16]，提供更高的电压输出能力和较小的电压畸变。

　　图7 zct电路拓扑

　　3 软开关逆变器与电动汽车

　　电动汽车在电机及其驱动控制器的效率、噪声、电磁干扰(emi)等方面有严格要求。传统逆变器采用硬开关技术，开关损耗较大，电磁干扰较强。因此，一些研究者开始在电动汽车中尝试采用软开关逆变器。

　　j.s. lai在1996年提出了一种应用于电动汽车的谐振缓冲器软开关逆变器。其单相拓扑如图8所示。它通过辅助开关和谐振电感为主开关器件提供零电压开关条件，且辅助开关电路的体积较小，逆变器的效率得到了较大提升，降低了dv/dt和emi。

　　图8 谐振缓冲器软开关逆变器单相拓扑

　　美国texas a&m大学的m.ehsani等肯定了软开关技术在减小开关应力以及降低开关损耗方面的优势。但同时认为软开关逆变器需要有源及无源器件构成辅助电路，增加了系统的成本和复杂性，降低了系统可靠性。因此建议考虑建立一个合理的软开关技术在电动汽车中应用的综合评价体系。

　　文献[18]针对不同的驱动电机和循环工况(城市工况及高速公路工况)进行了分析。结果表明，若仅仅从效率角度考察，由于混和动力汽车的能量有燃油补充，开关损耗带来的能量损失与软开关逆变器增加的复杂性相比是微不足道的。

　　美国vpec的研究小组对用于电动汽车的不同拓扑结构的软开关逆变技术进行了广泛深入研究。

　　文献[19]提出为改善电机电流波形和减小滤波装置的体积，应当增加逆变器的开关频率。而这样做所带来的开关损耗可以通过采用软开关技术来解决，并给出了仿真结果。

　　文献[20]对五种类型的负载侧软开关逆变器进行了研究，并对软开关逆变器的效率进行了建模仿真。结果表明zvtsi和zvtss会引发主功率器件额外的关断损耗和辅助器件的非零电流开关而导致效率较低。而arcp、zct和zvtci同传统逆变器相比具有较高效率。

　　文献[21]介绍了其所研制的三种不同拓扑结构的50kw软开关逆变器和实验样机：采用六个辅助功率器件的zct，arcpzvt以及采用三个辅助功率器件的zct。通过大量实验同传统硬开关逆变器在效率、体积、emi、成本等许多方面进行了比较，如附表及图9所示。结果表明，在600v电压等级的功率器件和20khz以下的开关频率时，软开关逆变器并未在效率方面体现出明显优势，而且仅有arcpzvt明显降低了传导emi。考虑到这些软开关逆变器都需增加较大的体积和费用，软开关技术并没有明显的综合性能优势。

　　图9 三种不同拓扑结构软开关逆变器的效率比较

　　4 结束语

　　总体来看，由于电动汽车的电机驱动系统功率较大，同时对逆变器的体积、重量、成本等方面有着苛刻要求，功率器件的选择范围和开关频率也有着一定的限制。因此，基于目前的技术水平，软开关逆变器同传统逆变器相比并未在电动汽车的应用中获得明显的综合优势。但软开关逆变器在减小功率器件应力以及减小系统emi方面确实有着难以替代的作用。辅助开关电路简单，体积较小的软开关逆变器会在今后得到更大的关注。

　　随着包括碳化硅(sic)在内的新型功率器件水平的提高及软开关技术的不断发展，软开关逆变器在装置体积、成本及系统可靠性方面一定会取得较大突破，从而在电动汽车的应用中占据应有的位置。

　　与此同时，软开关技术在电动汽车中的dc/dc、地面充电机等功率较小或体积重量要求不严格的装置中有着良好的应用前景，并且已经出现了相关的研究成果。