学术简报｜运用微升压功率解耦电路，构建无电解电容驱动系统

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摘要

江苏大学电气信息工程学院的研究人员张超、胡鑫、朱孝勇、徐磊、全力，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于微升压功率解耦电路的无电解电容驱动系统研究”），提出一种具有微升压能力的有源功率解耦电路及无电解电容驱动系统控制策略。在同等升压条件下，该电路功率器件驱动信号范围更为合理，在降低逆变器功率器件电压应力的同时，有效地提高了无电解电容驱动系统输入侧电流质量。

将直流母线电压交流分量总谐波引入到驱动系统输入参考电流控制中，控制直流母线电压在设定范围内，并实现静、动态工况下无电解电容驱动系统高性能运行。分析该有源功率解耦电路的工作机理，对其数学模型进行推导，详述电路关键参数设计思路。最后，通过原理样机验证该解耦电路及对应无电解电容驱动系统的有效性。

电网供电的AC-DC-AC电压源型逆变器因结构简单、效率高、成本低，被广泛应用于电机驱动系统。此类逆变器采用大容量电解电容作为系统功率解耦器件，具有稳定的直流母线电压。然而，电解电容固有的缺点导致驱动系统故障率居高不下。

采用小容量薄膜电容替代电解电容的无电解电容（Electrolytic Capacitor-Less, ECL）电机驱动系统可有效解决上述问题，受到业内专家和学者的广泛关注。但薄膜电容容量大幅度减小后，ECL驱动系统存在严重的直流母线电压波动，电机性能和电网电能质量极易受工况变化影响等问题。因此，为实现高性能控制，必须对ECL驱动系统的电路结构和控制策略展开深入研究。

目前，ECL驱动系统的研究主要分为两类：第一类是仍采用传统驱动系统结构，仅通过改进控制策略来抑制直流母线电压的脉动，进而提高电机运行性能。

  • 有研究向电网注入3次谐波电流，通过降低电网功率脉动抑制直流母线电压脉动。

  • 有研究分别利用“平均电压约束”和“阻尼电流注入”方法降低驱动系统脉动功率幅值，实现电机驱动系统母线电压脉动的抑制。此方法虽可在一定程度上提高无电解电容驱动系统的性能，但电机转矩脉动大的问题依然突出，且电网侧电流谐波含量较大，因此仅适用于高转速、大转动惯量及对转矩脉动要求低的场合。

第二类是在原有电机驱动系统上通过新增有源功率解耦电路（Active Power Decoupling Circuit, APDC）实现对电网脉动功率的控制，以期同时提高驱动系统电网侧电能质量和电机性能。

  • 有研究基于PWM整流器构建有源功率解耦电路，ECL电机驱动系统具有较好的综合运行性能。但是，该系统存在器件多、控制难度大等问题，限制了实际应用。

  • 有研究设计升压型功率解耦电路，通过提高薄膜电容的工作电压达到增加电容存储脉动能力的目的。但该方法导致电机逆变器功率器件的电压应力和系统成本增加。

  • 有研究基于Buck变换器提出降压型功率解耦电路，克服了前述文献功率器件电压应力大的问题，但新增加的滤波电感导致电机动态性能大幅度下降，且存在成本高、体积大的缺点。此外，基于Z源逆变器、多端口电路的有源功率解耦电路虽然能够改善无电解电容驱动系统的综合性能，但是电路结构及控制相对复杂，均存在可靠性低、成本较高、功率密度低、效率低、动态性能差等一系列问题。

本文提出一种微升压有源功率解耦电路，并构建对应的无电解电容驱动系统。由于采用输入串联、输出并联的特殊结构，该有源功率解耦电路电压增益近似为1，克服了现有升压型解耦电路成本高、功率器件电压应力高的缺点。与传统Boost电路相比，较低电压增益下该有源功率解耦电路功率器件拥有更宽的占空比调制范围，进一步提高驱动系统输入侧电能质量。

同时，将母线电压交流分量的总谐波畸变（Total Harmonic Distortion, THD）引入至驱动系统控制中，将功率因数控制（Power Factor Correction, PFC）、母线电压控制合二为一，简化了控制器的设计，并有效克服了转速、负载变换情况下直流母线电压欠电压及过电压问题，在确保驱动系统安全工作的基础上，有效提升电机运行性能。分析了该功率解耦电路的工作原理，推导设计参数的理论计算。设计基于微升压功率解耦电路的控制器，构建电机实验平台，验证了ECL电机驱动系统的有效性。

图1  微升压有源功率解耦电路结构

图9  ECL电机驱动系统整体控制策略

图10  微升压有源功率解耦电路

图11  ECL电机实验平台

总结

本文提出了一种微升压有源功率解耦电路，在此基础上构建了ELC电机驱动系统。与现有系统（变频器）相比，该系统功率器件电压应力大幅度降低，进一步提高了驱动系统的可靠性。此外，较低的直流母线电压有利于电机较低转速区域性能的提高。因此，本文所研究的ECL驱动系统可替代现有产品应用于低速、低成本、高性能领域。该系统突出特点有：

  • 1）本文提出的有源功率解耦电路在电机运行范围内均能维持电压增益略大于1，有助于ECL驱动系统成本、体积的降低。

  • 2）较低电压增益工况下，该解耦电路具有更宽的占空比调制范围，有效改善ECL驱动系统输入侧电网电流的功率因数和THD，对应指标均满足IEC 61000 3 2的相关要求。

  • 3）有源功率电路可以有效降低直流母线电压波动，为电机高性能运行提供良好的工作条件。此外，直流母线的最低工作电压大于电机的EMF，避免现有ECL系统在高速时电机弱磁控制造成的系统效率下降。

  • 4）将母线电压交流分量THD引入驱动系统控制器，在变速、变载工况下仍然能维持直流母线电压稳定，实现ELC驱动系统的高性能动态运行。

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