应用于电动汽车电机驱动的三相软开关逆变器综述
Haifeng Lu1,2; Qiao Wang1; Jianyun Chai1; Yongdong Li1
1. Tsinghua University, Beijing, China
2. Xinjiang University, Urumqi, China
H. Lu, Q. Wang, J. Chai and Y. Li, "Review of Three-Phase Soft Switching Inverters and Challenges for Motor Drives," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 8, no. 2, pp. 177-190, June 2024, doi: 10.30941/CESTEMS.2024.00030.
内容
本文综述了软开关技术在三相逆变器中的应用，并根据其各自的特点进行了分类。讨论了各种软开关逆变器的优缺点、研究进展、控制方法。仿真对比了常规硬开关逆变器和两种典型软开关逆变器的性能。总结了软开关技术在电动汽车电机控制器中应用存在的问题和前景。
亮点
2.1 软开关逆变器的拓扑分类
包括基于无源器件的逆变器；有源箝位谐振直流链路(Active Clamping Resonant DC Link, ACRDCL)逆变器；准谐振直流(Quasi-resonant DC Link, QRDCL)逆变器；谐振缓冲器逆变器(Resonant Snubber Inverters, RSI)；辅助谐振换流极(Auxiliary Resonant Commuted Pole, ARCP)逆变器；ZVT-PWM/ZCT-PWM逆变器。
（1）基于无源器件的逆变器
基于无源器件的软开关逆变器通过将无源器件（如电感、电容等）串联/并联形成谐振回路。谐振具有电压或电流的零交叉点，使逆变器在这些零交叉点上实现零电压开关或零电流开关。该项软开关技术多应用于交流侧含滤波电感的逆变器，可利用滤波电感构成谐振回路，减小附加的无源器件的体积。
（2）有源箝位谐振直流链路逆变器(ACRDCL)
基于二极管和谐振电感的直流链路无源箝位逆变器会带来2到3倍的电压应力。有源箝位电路通过增加辅助开关和箝位电容将电压应力减少至1.2~1.4倍，达到可接受范围。箝位电容的容值大小远高于谐振电容，以保持箝位电容电压的稳定。
（3）准谐振直流逆变器(QRDCL)
QRDCL逆变器的优点是辅助电路在每个开关周期内工作一段时间，使得辅助电路的损耗减小。QRDCL逆变器的结构和控制方法简单。缺点是电路的软开关范围有限、辅助开关需要在每个开关周期内多次动作，开关频率不固定。
（4）谐振缓冲器逆变器(RSI)
利用电感和电容作为缓冲器来实现软开关。其他软开关电路仅实现器件的软开关或软关断，而谐振缓冲器电路则有助于开通和关断两种过程的软切换。当并联电容器用作电压缓冲时，必须仔细考虑逆变器集成电容后的实用性。
（5）辅助谐振换向极逆变器(ARCP)
ARCP逆变器为每相桥臂配置一组辅助谐振换流极，使换流极在相应桥臂开关切换时动作，实现逆变器的软开关。ARCP逆变器的控制方法简单，但每组换流极通常采用辅助开关、电感和箝位二极管。因此，整体辅助电路使用了较多的元件，增加了电路的复杂性和附加损耗。
（6）ZVT-PWM/ZCT-PWM逆变器
部分逆变器的软开关条件与负载变化范围有关，在轻载或重载等极限情况容易失去软开关条件。ZVT-PWM/ZCT-PWM逆变器改善了这一缺点，通过在辅助电路中配置三相可控/不控整流器和谐振元件，实现器件的零电压过渡/零电流过渡。ZVT-PWM/ZCT-PWM逆变器引入的辅助元件较多，但是扩大了电路的软开关范围。
（7）软开关逆变器的应用
对上述6类软开关逆变器分别选取一个典型电路，并统计了6个软开关逆变器样机的研究进展。软开关逆变器可连接电网或感性负载，作为并网逆变器时开关频率达到百kHz，连接感性负载时开关频率约10~20kHz。
统计了几类软开关逆变器用于电机控制时的典型电路研究进展。其中，ACRDCL逆变器最高输出功率达200kVA，ARCP逆变器最高效率约98.9%。
2.2 控制方法
2.3 常规硬开关逆变器、ACRDCL逆变器和ARCP逆变器的比较
2.4 挑战与展望
结论
本文首先结合电动汽车的发展趋势，介绍了电机控制器向更高功率和频率发展时面临的挑战。介绍和讨论了几种软开关技术的特点和研究进展，明确各种软开关技术应用于电机控制器的可行性和优劣势。对于电动汽车电机控制器，直流侧的软开关技术通常因其紧凑性和成本效益比交流侧软开关技术更受青睐，例如ACRDCL和QRDCL逆变器。
本文介绍了EAPWM、改进SVPWM和电路模式控制三种控制方法用于软开关逆变器的基本原理。通过仿真比较了常规硬开关逆变器、ACRDCL逆变器和ARCP逆变器的性能。结果表明，ACRDCL逆变器引入的辅助电路成本更低、体积更小；ARCP逆变器则在降低谐波、减小元件应力和控制复杂度等方面具有优势。
最后，本文探讨了软开关技术在电动汽车电机控制器中的潜在问题和改进方向。
团队介绍
先进电能变换与电气化交通隶属于清华大学电机系，团队负责人：李永东教授，团队主要成员：肖曦、王善铭、陆海峰、孙凯、郑泽东等，其中教授3名、副教授6名。近5年已毕业和在读博士生38名、硕士生28名。近年来，实验室承担国家自然基金重点项目及国家重点研发计划项目课题10项；国网，台达，株洲所，温岭及其他企业重大合作项目10项；国家自然基金面上项目及其它重点和专向课题12项；其他横向课题50余项；发表SCI论文161篇，EI论文244篇，中文刊物35篇，专著2部；申请发明专利96项，授权发明专利71项；获国家技术发明二等奖和科技进步二等奖各1项，省部级一等奖4项，二等奖4项，国外发明金奖2项，其他奖项12项；其他荣誉称号8项。团队主要研究方向是电气化交通中的电能变换和电气驱动技术，包括高性能电机控制、电动汽车、多电飞机、高铁电牵引、大容量多电平等。
作者介绍
陆海峰(M’11-SM’22)，分别于1998年和2001年获得东南大学电气工程专业学士和硕士学位；2005年获得清华大学电气工程专业博士学位；2015年起任职于清华大学电机系；2013年至2014年，作为美国田纳西大学诺克斯维尔分校的访问学者；目前担任清华大学电机系副教授和新疆大学电气工程学院院长；目前的主要研究领域包括SiC器件和电机驱动在电动汽车中的应用。
汪巧，出生于中国湖南，于2017年获得清华大学电气工程与自动化专业学士学位；目前在清华大学攻读电气工程专业硕士学位；主要的兴趣领域包括SiC驱动设计和三相软开关逆变器。
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《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。
