软开关逆变器在智能电动汽车中的应用方案

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。

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。

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 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。

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。

 

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。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。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。