功率变换器设计与分析的发展历程

功率变换器设计的主要问题，一是功率器件的选择和电流定额的确定；二是功率变换器的拓扑设计。SR电动机功率变换器是伴随着电力电子技术的进步而发展的。20世纪80年代初，主开关器件皆用SCR。鉴于SR电动机电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击电流，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性较差，构成的SRD总体性能有局限。后来较多地应用功率晶体管（GTR），但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。20世纪80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点，有自关断、快速开关能力，能承受较高电流、电压的门极关断（GTO）晶闸管受到重视，TASC Drives公司早期的Oulton SRD产品中均用GTO晶闸管做主开关器件。近年来，考虑到GTO晶闸管不断关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，低压、小功率SRD中常用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），较大功率则采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

确定主开关器件电流定额的关键是根据电流波形求其有效值或峰值，但困难在于SR电动机相电流的准确解析式难以求得。由于电动机结构参数、控制参数、控制方式不同，将出现不同形状的相电流波形，开关器件的额定电流亦随之变化。因此，电流定额问题首先是一个如何将电动机、功率变换器、控制器三者作为一个整体优化设计的问题。这方面的工作是由W.F.Ray、R.M.Davis、T.J.E.Miller等人开创的。1979年，Nottingham大学的W.F.Ray等利用线性模型导出有解析解的相电流波形简化方程，据此分析了电感曲线变化对主开关器件定额的影响^[45]；R.M.Davis等在此基础上，导出以电流定额最小为目标系统优化设计的恒功率[角度位置控制（APC）方式]，恒转矩[电流斩波控制（CCC）方式]的约束条件^[46]。他们的工作对如何从整体上优化SRD性能/价格比有指导意义，不足的是没有计及磁路饱和对系统性能/价格比的影响。1985年，T.J.E.Miller应用SR电动机准线性模型，建立了一些影响功率变换器伏安要求和转矩-转速特性的各种因素的概念，如能量比率这一与传统交流电动机功率因数类似的重要概念，并阐明电动机磁路饱和的主要效应有两方面，即导致一定转矩所需的电动机尺寸增大和功率变换器伏安容量要求减小^[22]。

1990年，R.Krishnan等对每相只用一个主开关器件（SSPP）的功率变换器的拓扑﹑开关器件的有效值定额计算﹑输入滤波器设计等进行了系统论述^[47]。S.Vukosavic等对五种典型的功率变换器拓扑就功率开关器件的峰值电压和电流定额﹑直流环节元件的体积和峰值定额进行了比较分析^[48]。从工程设计的角度考虑，希望在电动机额定参数给定的条件下，能够根据公式算出电流定额，以作为器件选型的依据，但至今给出估算公式的文献较少^[47]。

1990年，C.Pollock等对SR电动机功率变换器主电路的拓扑进行研究，在原有不对称半桥电路基础上，开发出一种新的功率变换器电路结构，其全部电源电压施加于相绕组上，主开关器件的电压额定值与电源电压接近，而每相平均分摊的主开关器件数却少于两个，从而构成一种“主开关器件最少的功率变换器”^[50]，这一工作使得增加电动机相数、减少转矩脉动又不增加功率变换器成本成为可能，虽然主开关器件的控制策略变得复杂，但在微电子技术日益发展的今天，这一矛盾已不突出。

双极性直流电源功率变换器是一种针对偶数相SR电动机的SSPP功率变换器拓扑，因其直流母线接有两个实现相电流续流储能和强迫换相作用的裂相大电容，增加了功率变换器的成本、体积。参考文献[61]针对小功率四相SR电动机，采用无电容裂相式主电路和两相励磁方式实现了宽调速范围控制。

电容储能型（C-Dump）功率变换器是一种对所有相数的SR电动机皆适用的SSPP拓扑^{[2，48，53]}，但换相速度有限，为了适应SR电动机高速运行的需要，参考文献[51，52]对电容储能型功率变换器拓扑进行了改进。参考文献[54]针对某单相SR电动机，提出仅用一个主开关器件、带储能电容的新型功率变换器，其特点是主绕组释放的磁能并非回馈电源，而是给SR电动机的辅助绕组馈电，故降低了能量损耗及对直流母线电容量的需求。(www.xing528.com)

功率变换器直流侧电压脉动会引起SR电动机转矩脉动和振动、噪声，因此，前级整流器设计受到了重视。参考文献[55]在四相六管功率变换器主电路的前级采用了三相电压型PWM整流器；参考文献[56]针对四相（8/6）SRD中应用广泛的双极性直流电源功率变换器，在其前级采用三相三电平VIENNA整流器，以维持功率变换器直流侧上下两个裂相电容电压的平衡，并改善交流侧电能的质量。

针对电动汽车驱动应用场合中体积小、高效、宽调速范围等要求，参考文献^[57]对一种无附加电抗器但具有Boost（升压）功能的SR电动机功率变换器主电路的控制策略及性能进行了分析。

SR电动机可视为电流型负载，故其通常采用电压源型功率变换器供电。然而，采用电流源型功率变换器的优点为^[58]：输出电流近似为方波，不仅可降低SR电动机转矩脉动，且换相快捷，开关损耗低，适合高速运行。电流源型功率变换器的突出缺点为：在SR电动机换相点处的相电感大，高的电流变化率将激发危及开关器件安全的尖峰感应电压。有鉴于此，参考文献[58]提出了带电压箝位电路的电流源型功率变换器。

功率变换器的损耗及温度分布分析有助于正确地进行功率变换器的热设计。参考文献[59]阐述了SR电动机功率变换器损耗的数值计算方法，并讨论了控制参数对功率变换器损耗的影响；参考文献[60]给出了SR电动机功率变换器的热模型，并对其温度分布进行了分析。