一款高頻輸出不對稱(chēng)半橋逆變器電路

引言

近年來(lái)提出了一種新的高頻輸配電系統HFPDS(High frequency power distribution system)，與傳統的直流配電系統不同的是，HFPDS采用高頻交流配電系統。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統簡(jiǎn)單；(2)效率高；(3)可靠性高；(4)成本低。由于輸出頻率比較高，無(wú)法采用SPWM等控制方法，所以目前的高頻輸出逆變器多為方波或準方波輸出，然后通過(guò)諧振濾波網(wǎng)絡(luò )得到高頻正弦波。本文分析了變換器的工作原理，軟開(kāi)關(guān)實(shí)現條件和諧振濾波電路的設計。

圖1 高頻輸出不對稱(chēng)半橋逆變器

圖2 不對稱(chēng)半橋逆變器的關(guān)鍵波形

圖1為高頻輸出不對稱(chēng)半橋逆變器拓撲，由不對稱(chēng)半橋變換器、四階諧振濾波網(wǎng)絡(luò )和高頻變壓器構成。圖2 為高頻輸出不對稱(chēng)半橋逆變器的關(guān)鍵波形。不對稱(chēng)半橋逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中可以分成6個(gè)不同的工作時(shí)段。當不對稱(chēng)半橋逆變器帶阻性負載時(shí)，諧振濾波器設計為感性，使輸出電壓超前串聯(lián)諧振支路的電流，實(shí)現所有開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)。為了分析方便，在不影響分析結果的前提下，做如下假設：①所有開(kāi)關(guān)管、電感、電容、變壓器均為理想器件；②諧振濾波器濾波能力足夠，輸出電壓的頻率與開(kāi)關(guān)管頻率相同。各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下：

(1)工作模態(tài)1[t0---t1]

t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷。因為負電流is的存在，C1放電，C2充電， 一旦C1端的電壓為零時(shí)，負諧振電流is使得D1導通。在死區時(shí)間內必須有足夠的能量將C1中能量抽走。

(2)工作模態(tài)2[t1---t2]

在t1時(shí)刻開(kāi)通Q1，則開(kāi)關(guān)管Q1為零電壓開(kāi)通。此時(shí)D1和Q1同時(shí)導通。

(3)工作模態(tài)3[t2---t3]

到t2時(shí)刻，電流為零。此時(shí)以后輸入電壓加在諧振濾波器的輸入端，使電流is正向流動(dòng)，給負載供電。

(4)工作模態(tài)4[t3---t4]

在t3時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，因為寄生電容的存在，開(kāi)關(guān)管Q1相當于軟關(guān)斷。由于電流為正，此時(shí)C1充電，C2放電。一旦C2端的電壓為零時(shí)，正諧振電流is使得D2導通。此段時(shí)間內亦必須有足夠的能量抽走C2中的能量。

(5)工作模態(tài)5[t4---t5]

t4時(shí)刻，開(kāi)通Q2，則開(kāi)關(guān)管Q2為零電壓開(kāi)通。此時(shí)D2和Q2同時(shí)導通。

(6)工作模態(tài)6[t5---t6]

到t5時(shí)刻，電流為零。此時(shí)以后諧振濾波器開(kāi)始釋放能量，使電流is負向流動(dòng)，給負載供電。

軟開(kāi)關(guān)實(shí)現條件

不對稱(chēng)半橋逆變器在死區時(shí)間內要有足夠的能量來(lái)抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管結電容或者外并電容上的電荷，并給另一個(gè)剛剛關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管結電容或者外并電容充電，則諧振濾波器必須設計為感性，即輸出電壓超前于串聯(lián)諧振支路的電流。這是實(shí)現功率開(kāi)關(guān)管ZVS的必要條件。如果不滿(mǎn)足式(1)，那么就無(wú)法實(shí)現ZVS。開(kāi)關(guān)管Q1和Q2之間的死區時(shí)間必須足夠長(cháng)，才能使開(kāi)關(guān)管結電容或者外并電容完全進(jìn)行充放電。

(1)

式中，Lr為諧振濾波器的等效電感，I1為死區時(shí)間內的平均電流，Ci()為開(kāi)關(guān)管的結電容或者外接電容。

諧振式濾波器分析