一種新穎的高頻鏈逆變器

1 引言

提高逆變器開(kāi)關(guān)頻率有助于減小濾波器體積和用高頻變壓器來(lái)代替體積和重量很大的低頻變壓器，減小變壓器體積和重量，實(shí)現逆變器的小型化和輕量化。但是功率開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)關(guān)帶來(lái)了開(kāi)關(guān)損耗比較嚴重。高頻脈沖直流逆變器既具有高頻環(huán)節逆變器的優(yōu)點(diǎn)，又能夠實(shí)現逆變器的軟開(kāi)關(guān)，是性能較好的高頻環(huán)節逆變器[1][2][3][4]。與其它的直流變換器比較，推挽正激直流變換器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[5][6]：①功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)漏感引起的漏源尖峰電壓被箝位在2Ui，省去了緩沖電路，提高了變換效率；②輸入電流ii的脈動(dòng)量減小，降低了輸入濾波器的體積和重量；③高頻變壓器磁芯雙向對稱(chēng)磁化，功率管承受一半的輸入電流，兩倍輸入電壓。因此，在低壓大電流輸入逆變場(chǎng)合，推挽正激DC-DC變換器將是單向電壓源高頻環(huán)節逆變器理想的前置級電路拓撲。采取適當的控制方案把他們有效的結合起來(lái)，則可以為低壓中大功率場(chǎng)合的逆變器尋找一種理想拓撲。

圖1 推挽正激式高頻環(huán)節逆變器電路拓撲

2 電路拓撲

推挽正激式高頻環(huán)節逆變器，由推挽正激DC-DC變換器、吸收回路和DC-AC逆變橋級聯(lián)而成，如圖1所示。前級推挽正激DC-DC變換器， 先將不穩定的輸入電壓Ui變換成后級DC-AC逆變橋所需要的高頻脈沖直流電壓udo，經(jīng)過(guò)尖峰吸收回路后，后級DC-AC逆變橋再將其變換成所需要的穩定正弦交流輸出電壓uo。

3 控制方案

3.1 級聯(lián)式控制

該控制方案如圖2所示在這種控制方案下，前級推挽正激直流變換器采用電壓型控制，輸出平均值恒定的高頻脈沖直流電壓ud0。后級逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，選擇在直流母線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)關(guān)以實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。該控制方案實(shí)現軟開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)單，但具有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：①負載擾動(dòng)變化在前級的直流變換器的閉環(huán)反饋之外，在負載變化時(shí)前級控制器反映較慢。②后級為了實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)需要選擇電壓過(guò)零點(diǎn)，這種離散脈沖控制方式引入了控制滯后問(wèn)題，增加了輸出電壓諧波，增大了濾波器體積。③后級的逆變橋在能量回饋的時(shí)由于直流母線(xiàn)電壓不能回零依然工作于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖2 級聯(lián)式控制方案

3.2 SPWM控制

該控制方案如圖3所示，該控制方案的閉環(huán)反饋把負載擾動(dòng)包括在內，能對負載擾動(dòng)做出快速反映，且SPWM控制輸出電壓諧波頻率固定，輸出濾波器設計簡(jiǎn)單，后級逆變橋基本上工作于低頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗低。該控制方案的原理為：輸出電壓與給定電壓相比較后的信號經(jīng)過(guò)電壓調節器的輸出信號作為電流的給定信號。檢測濾波電感的電流信號與給定電流信號相比較后的信號經(jīng)過(guò)電流調節器的輸出信號與三角載波相交截,產(chǎn)生SPWM 波來(lái)控制S1, S1控制信號經(jīng)過(guò)延時(shí)后的信號來(lái)控制S2。這樣推挽正激電路輸出為SPWM 高頻直流脈沖電壓,也就是逆變橋的母線(xiàn)電壓為SPWM 高頻直流脈沖。經(jīng)全橋逆變電路選擇所需的脈沖,濾波之后得到正弦波。全橋逆變器功率開(kāi)關(guān)管S4 、S5 ，S6、S7分別互補工作。無(wú)能量回饋的時(shí)候，所有逆變橋功率開(kāi)關(guān)器件按輸出電壓頻率開(kāi)關(guān)，當輸出電壓為正電壓時(shí),S4，S7 導通；輸出為負電壓時(shí)候,S5，S7 導通。當有能量回饋時(shí)候，由于SC 反并的二極管導通,逆變器母線(xiàn)電壓被鉗制為Ce 的電容電壓。因此,逆變器母線(xiàn)電壓不能周期性回零,逆變器工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。此時(shí)S4 、S5 高頻互補工作,S6，S7低頻互補工作。當輸出電壓為正而濾波電感電流為負時(shí),S7 一直開(kāi)通,如果此時(shí)SC控制信號為高電平則S4開(kāi)通，如果SC控制信號為低電平，則S5開(kāi)通；當輸出電壓為負而濾波電感電流為正時(shí)，S6一直開(kāi)通，如果此時(shí)SC控制信號為高電平則開(kāi)通，如果SC控制信號為低電平，則S4開(kāi)通。整個(gè)系統控制信號如圖4所示。

圖3 SPWM控制方案

圖4 SPWM控制方案控制信號圖

4逆變器工作分析

采用SPWM控制方案明顯優(yōu)于級聯(lián)式控制方法，其逆變橋將工作于低頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。逆變橋穩態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)輸出電壓周期內共有uAB>0 iLf>0 ugsc=1；uAB>0 iLf>0 ugsc=0；uAB>0 iLf0 ugsc=1；uAB>0 iLf0 ugsc=0；uAB0 iLf0 ugsc=0；uAB0 iLf0 ugsc=1；uAB0 iLf>0 ugsc=1；uAB0 iLf>0 ugsc=0；八種高頻開(kāi)關(guān)工作情形。其uAB>0輸出正向電壓時(shí)的四種工作模態(tài)如圖5所示。uAB0時(shí)輸出負向電壓時(shí)情況類(lèi)似。

uAB>0 iLf>0 ugsc=1時(shí)，S4，S7開(kāi)通，S5，S6截止，uAB=uhf，直流母線(xiàn)電壓為高，電流流過(guò)S5，濾波電感、負載、S7回到直流母線(xiàn)。此時(shí)，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件都不需要改變狀態(tài)，都工作于低頻狀態(tài)。

uAB>0 iLf>0 ugsc=0時(shí)，S4，S7開(kāi)通，S5截止，S6體二極管導通續流，直流母線(xiàn)電壓為零，電流一路流過(guò)S4、濾波電感、負載、S5續流，一路流過(guò)S5，濾波電感、負載、S7回到直流母線(xiàn)。此時(shí)，功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，都工作與低頻狀態(tài)。

uAB>0 iLf0 ugsc=0；，S4，S6截止，S5，S7 開(kāi)通，直流母線(xiàn)電壓為高，電流流過(guò)濾波電感，S5，S7，負載續流。功率開(kāi)關(guān)管S4為軟關(guān)斷、S5為硬開(kāi)通，工作與高頻狀態(tài)，S6，S7工作于低頻狀態(tài)。

uAB>0 iLf0 ugsc=1，S4，S7開(kāi)通，S5，S7關(guān)斷，直流母線(xiàn)電壓為高，電流流過(guò)濾波電感，S4、S7、負載回饋能量給直流母線(xiàn)。功率開(kāi)關(guān)管S4由于死區的存在為軟開(kāi)通，S5為硬關(guān)斷，S6，S7工作于低頻狀態(tài)。

上述分析表明：當uAB>0 iLf>0無(wú)能量回饋時(shí)候，逆變橋所有開(kāi)關(guān)管工作于低頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當uAB>0 iLf0有能量回饋時(shí)候，功率開(kāi)關(guān)管S4、S5工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，S4為軟開(kāi)關(guān)，而S5為硬開(kāi)關(guān)。

同樣分析可得，當uAB0輸出電壓為負壓的時(shí)候，功率開(kāi)關(guān)管S6、S7依然工作于低頻狀態(tài)，在無(wú)能量回饋時(shí)候，功率開(kāi)關(guān)S4，S5也工作于低頻狀態(tài)，有能量回饋時(shí)候，S4為硬開(kāi)關(guān)，S5為軟開(kāi)關(guān)。

綜上分析，逆變橋在無(wú)能量回饋時(shí)候，功率開(kāi)關(guān)管都工作于低頻狀態(tài)，故開(kāi)關(guān)損耗可忽略不計，僅在有能量回饋時(shí)候，逆變橋有一個(gè)開(kāi)關(guān)管工作于高頻硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故整個(gè)逆變橋開(kāi)關(guān)損耗很小。

圖5 uAB>0時(shí)逆變橋的工作模態(tài)圖

5主要參數設計

5.1箝位電容Cc

6實(shí)驗驗證

為了驗證SPWM控制方式下推挽正激式高頻脈沖直流環(huán)節逆變器的工作原理進(jìn)行以下條件的實(shí)驗：輸入電壓Ui=18～32VDC，輸出電壓115V+2V，輸出電壓頻率400+0.4Hz，箝位電容CC=50μF，吸收電容Cr=150μF,輸出濾波電感Lf=0.7mH，輸出濾波電容Cf=10μF，開(kāi)關(guān)頻率Fs=48kHz，阻性負載500W。各處實(shí)驗波形如下：

（a）逆變橋功率器件驅動(dòng)與漏源電壓

縱軸：CH2（驅動(dòng)電壓）10V/div

CH1（漏源電壓）100V/div

橫軸：時(shí)間 500us/div

（b）輸出電壓波形uo

縱軸：uo 50V/div 橫軸：時(shí)間 500us/div

從實(shí)驗結果可以看出：在阻性負載情況下，逆變橋功率管工作于低頻狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗低，輸出電壓質(zhì)量高。

7結論

研究結果表明，本文提出的SPWM控制下的推挽正激式高頻環(huán)節逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①抗負載擾動(dòng)能力強，動(dòng)態(tài)響應快。②逆變橋基本上工作于低頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗小。③前級推挽正激直流變換器輸入電流脈動(dòng)小，功率管承受一半輸入電流。因此，該逆變器是中大功率低壓輸入逆變器的理想拓撲，可用于航空靜止變流器、太陽(yáng)能發(fā)電，燃料電池發(fā)電等場(chǎng)合。