優(yōu)良綜合性能的高頻軟開(kāi)關(guān)逆變電源工作原理分析

摘要：首次提出了占空比擴展高頻脈沖直流環(huán)節逆變器新思路，深入分析研究了該軟開(kāi)關(guān)逆變器工作原理、三態(tài)離散脈沖電流滯環(huán)跟蹤控制策略，獲得了關(guān)鍵電路參數設計準則。設計并研制成功的750VA 27VDC/115V 400HzAC逆變電源具有體積重量小、變換效率高、靜態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應速度快、輸出波形失真度低、過(guò)載與短路能力強、可靠性高等優(yōu)良的綜合性能。

關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)；高頻環(huán)節逆變器；高頻脈沖直流環(huán)節；三態(tài)離散脈沖調制；有源箝位

High Frequency Soft-switching Inverter with excellent peformance

CHEN Dao-lian

Abstract:A novel idea of inverter with duty cycle extended high frequency pulse DC link is firstly proposed . The operation principle of the soft-switching inverter and the control strategy of three-state discrete pulse modulation hystersis current are deeply analyzed and studied. The design criterions of key circuit parameter are gained. A designed and developed 750 VA 27 V DC/115 V 400 Hz AC prototype has the excellent comprehensive advantages.

Keywords:Soft-switching； High frequency link inverter； High frequency pulse DC link； Three-state discrete pulse modulation（ DPM） ； Active clamp

1 引言

綜合軟化開(kāi)關(guān)高頻脈沖直流環(huán)節逆變器，解決了分級軟化開(kāi)關(guān)高頻環(huán)節逆變器存在的電路拓撲復雜，功率密度和變換效率偏低，成本偏高等問(wèn)題[1，2]。這類(lèi)軟開(kāi)關(guān)逆變器由電氣隔離型高頻脈沖直流環(huán)節電路與DC/AC逆變橋級聯(lián)而成。

文獻[1]提出了并聯(lián)交錯有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節逆變器電路拓撲，如圖1（a）所示。該電路仍存在電路拓撲和控制偏復雜，體積重量偏大，變換效率和可靠性偏低等缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化高頻脈沖直流環(huán)節電路拓撲，再次提出了高頻脈沖直流電壓波占空比擴展的新思路[3]，從而成功地解決了單管正激式功率開(kāi)關(guān)占空比小與輸出高頻脈沖直流電壓波占空比要求大之間的矛盾。本文主要研究占空比擴展的高頻脈沖直流環(huán)節逆變器工作原理，控制策略，關(guān)鍵電路參數設計準則，并給出了樣機試驗結 果。

(a) 并 聯(lián) 交 錯 有 源 箝 位 正 激 式

(b) 占 空 比 擴 展 的 單 管 有 源 箝 位 正 激 式

圖1 高 頻 脈 沖 直 流 環(huán) 節 逆 變 器 電 路 拓 撲

2 占空比擴展的高頻脈沖直流環(huán)節逆變器工作原理

基于占空比擴展的單管有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節逆變器電路拓撲，如圖1（b）所示。單管有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節電路，將經(jīng)LC輸入濾波器后的輸入電壓18～32VDC變換成平均值為180V，頻率為80kHz，占空比擴展的高頻脈沖直流電壓udo， DC/AC逆變?yōu)槿珮蚪Y構，逆變橋所有功率器件在前級輸出的高頻脈沖直流電壓波udo過(guò)零處進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換，從而實(shí)現了零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）。逆變橋輸出的調制電壓波uAB經(jīng)輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf后，得到了恒壓恒頻115V 400Hz的單相交流電。

箝位開(kāi)關(guān)Sc與箝位電容Cc串聯(lián)支路，構成了正激變換器的有源箝位支路，實(shí)現了高頻變壓器T的磁復位。功率開(kāi)關(guān)Sr與電容Cr串聯(lián)支路不但可用來(lái)吸收DC/AC逆變橋交流側回饋的無(wú)功能量，而且可以實(shí)現高頻脈沖電壓波udo占空比的擴展。高頻脈沖直流電壓udo占空比擴展原理，如圖2所示。Sr的驅動(dòng)信號相對于功率開(kāi)關(guān)S的驅動(dòng)信號稍延遲開(kāi)通t3時(shí)間，大大延遲關(guān)斷t4時(shí)間。合理設計吸收支路開(kāi)關(guān)Sr的延遲時(shí)間t4，也就實(shí)現了高頻脈沖電壓波udo的擴展。吸收開(kāi)關(guān)Sr與功率開(kāi)關(guān)S均截止時(shí)，udo為零電平，在此期間實(shí)現DC/AC逆變橋功率開(kāi)關(guān)的ZVS轉換。

圖2 高 頻 脈 沖 直 流 電 壓 占 空 比 擴 展 原 理

3 三態(tài)離散脈沖調制電流控制技術(shù)

高頻脈沖直流環(huán)節電路和DC/AC逆變橋采用各自獨立的控制電路。高頻脈沖直流環(huán)節電路采用輸入電壓前饋脈寬調制，DC/AC逆變橋采用輸出電壓和濾波電感電流雙閉環(huán)反饋三態(tài)離散脈沖（DPM）控制技術(shù)，其控制原理，如圖3所示。輸出電壓反饋信號uof與基準電壓信號ug比較，經(jīng)PI調節器后，電壓外環(huán)的輸出信號ig作為電流內環(huán)的給定信號。電流內環(huán)為三態(tài)離散脈沖滯環(huán)跟蹤控制調節器。濾波電感電流反饋信號if在正、負環(huán)寬范圍內跟蹤ig變化。滯環(huán)比較結果經(jīng)采樣信號uc（過(guò)零信號）采樣，控制功率開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4在udo零電平期間開(kāi)關(guān)轉換，從而獲得輸出調制電壓uAB，其控制規律為

(a) 控 制 原 理

(b) 原 理 波 形