一種新型無刷直流電機諧振極軟開關逆變器
無刷直流電機以其優越的性能獲得了迅猛發展，然而，無刷直流電機通常採用硬開關逆變器驅動，硬開關逆變器的系統效率較低，開關器件的電壓、電流應力大，散熱器的體積和重量較大，而且硬性通/斷產生的過高du/dt和di/dt給系統造成了非常嚴重的電磁干擾，影響電機的絕緣壽命，功率開關器件開通和關斷瞬間的電壓和電流尖峰可能使功率器件的運行軌跡超出安全工作區，從而導致開關器件的損壞，影響系統的可靠性。因此，硬開關逆變器限制了大功率無刷直流電機驅動系統功率密度和性能的進一步提高，控制器效率、電磁干擾、體積重量問題日益突顯，成為制約其快速發展的主要因素。
為了解決硬開關逆變器的諸多問題，人們將更多的努力投向了軟開關技術。自從20世紀80年代初提出諧振開關——軟性開關的概念，軟開關技術吸引了大量的研究人員，成為電力電子和運動控制領域的研究熱點。用於交流電機驅動的軟開關電壓源逆變器主要包括兩種類型：諧振直流環節逆變器和諧振極逆變器。諧振直流環節軟開關逆變器的研究產生了許多拓撲和控制方法，該類逆變器共同的特點是在直流母線上串接一個功率器件，其導通損耗將嚴重影響逆變器效率的提高，且直流母線凹槽影響直流電壓的利用率。
諧振極逆變器的輔助電路連線在逆變器的三個輸出端，直流環節電壓不受諧振的影響。諧振極逆變器代表性的電路有準諧振電流模式逆變器、輔助諧振換相極逆變器、零電壓轉換逆變器、星形緩衝器和三角形緩衝器。但這些諧振極逆變器的研究主要集中在異步電動機驅動，異步電動機為正弦波控制三相繞組中通有正弦電流，而無刷直流電機工作在星形三相六狀態120°換相時為方波控制，只有兩相通電且為方波，控制方法及開關器件的動作都有較大差異，因而，傳統的諧振極軟開關逆變技術並不完全適合於無刷直流電機，有必要研究適用於無刷直流電機的諧振極軟開關逆變器。提出了一種專用於無刷直流電機驅動系統的諧振極軟開關逆變器，如圖1所示。三相橋臂的極點連線諧振網路，每相諧振網路含有一個雙向開關和一個小的緩衝諧振電容，三相共用一個諧振電感和兩個形成直流母線中點電壓的電容。緩衝諧振電容為該相主開關器件的 PWM 調製提供 ZVS 關斷條件，雙向開關控制諧振過程實現緩衝諧振電容的電位變化，為主開關器件的 PWM 調製提供 ZVS 開通條件。雙向開關的通斷均在 ZCS 條件下進行，其電壓應力為直流電源的一半。
圖1採用諧振極軟開關逆變器的直接轉矩控制
直接轉矩控制理論以其控制手段直接、結構簡單、性能優良等特點，在很大程度上解決了矢量控制中控制複雜、特性易受電機參數變化的影響，以及實際性能難以達到理論分析結果的諸多重大問題。然而，在低速情況下直接轉矩控制卻存在轉矩脈動的不足。此時若能提高開關頻率，則可改善轉速的低頻脈動情況。在高速範圍時，通常需要放寬轉矩容差來避免過高的開關頻率，轉矩容差設定的窄些，對減小轉矩脈動是有利的，但卻增加了逆變器的開關頻率，使之成為進一步提高直接轉矩控制系統調速精度的不利因素。在傳統的硬開關逆變器中，由於存在開關消耗，因此開關頻率難以進一步提高。軟開關技術則是提高開關頻率，減少開關損耗的最好方法。
