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新型高頻鏈逆變器研究分析

作者: 時(shí)間:2012-06-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1. 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/176838.htm

新穎的雙向環(huán)節(jié)[1、2、3],具有雙向功率流、電氣隔離、拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)等優(yōu)點(diǎn),特別適用于要求雙向功率流的逆變場(chǎng)合[4]。以雙向環(huán)節(jié)構(gòu)成的交流UPS[5]。

本文主要開(kāi)展的雙向高頻環(huán)節(jié)的控制策略、原理特性、關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、原理試驗(yàn)等研究。

2. 電路拓?fù)渑c控制策略

雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器的電路結(jié)構(gòu),由高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器等構(gòu)成,如圖1(a)所示,具有雙向功率流、高頻電氣隔離、拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)等優(yōu)點(diǎn)。其全橋橋式拓?fù)?,如圖1(b)所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)與全橋橋式拓?fù)? width=

(a)電路結(jié)構(gòu)

圖1 電路結(jié)構(gòu)與全橋橋式拓?fù)? width=

(b)全橋橋式

圖1 電路結(jié)構(gòu)與全橋橋式拓?fù)?/p>

雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器可采用移相控制策略,原理波形如圖2所示。采用移相控制策略,雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器可實(shí)現(xiàn)周波變換器的零電壓(ZVS)開(kāi)關(guān)、輸出濾波電感電流的自然換流、輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波。

圖2 雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器移相控制原理圖

圖2 雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器移相控制原理圖

3. 穩(wěn)態(tài)分析

這里僅分析輸出電壓U0、輸出電感電流ILf均大于零時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)逆變器的穩(wěn)態(tài)工作情況。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),逆變器可分為十二個(gè)工作模式。其穩(wěn)態(tài)原理波形和開(kāi)關(guān)模態(tài)分別如圖3、圖4所示。

圖3 移相控制高頻環(huán)節(jié)逆變器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)波形

圖3 移相控制高頻環(huán)節(jié)逆變器一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)波形

t=t1~t2:t1時(shí)刻前,變壓器原邊繞組電壓UEF為零,原邊電流iEF經(jīng)S1、D2流通。t1時(shí)刻,S4全電壓開(kāi)通,iEF經(jīng)S1、D4流通;UEF=Ui;電感電流iLf(此時(shí)為iA)經(jīng)S5 、S6流通;輸出濾波器前端電壓UDC=UAC=2N2Ui/N1;如圖4(a)所示。

t=t2~t3:t2時(shí)刻,S1零電壓關(guān)斷;C1電壓快速?gòu)牧闵仙経i值,C3電壓同時(shí)從Ui值快速下降到零;iEF經(jīng)S4、D3流通;UEF=0;iLf經(jīng)S5 、S6流通;UDC為零;如圖4(b)所示。

t=t3~t4:t3時(shí)刻,S3零電壓開(kāi)通;iEF經(jīng)S4、S3(和D3)流通;UEF=0;iLf經(jīng)S5 、S6流通;UDC為零;如圖4(c)所示。

t=t4~t5:t4時(shí)刻,S7、S8零電壓開(kāi)通;iEF經(jīng)S4、S3(和D3)流通;UEF=0;iLf經(jīng)S5 、S6流通;UDC為零;如圖4(c)所示。

t=t5~t6:t5時(shí)刻,S5、S6零電壓關(guān)斷;UEF=0;iLf(此時(shí)為iB)經(jīng)S7、S8流通;iEF反向經(jīng)S3 、S4(和D4)流通;UDC為零;如圖4(d)所示。

t=t6~t7:t6時(shí)刻,S4零電壓關(guān)斷;iEF經(jīng)S3、D4流通;UEF=0;iLf經(jīng)S7 、S8流通;UDC為零;如圖4(e)所示。

t=t7~t8:t7時(shí)刻,S2全電壓開(kāi)通;iEF經(jīng)S2、S3流通;UEF=-Ui; iLf經(jīng)S7 、S8流通;UDC= UBC=N2Ui/N1;開(kāi)關(guān)S6漏源電壓UDs6= UBA=2N2Ui/N1;如圖4(f)所示。

t=t8~t9:t8時(shí)刻,S3零電壓關(guān)斷;iEF經(jīng)S2、D1流通;iLf經(jīng)S7 、S8流通;UDC為零;如圖4(g)所示。

t=t9~t10:t9時(shí)刻,S1零電壓開(kāi)通;iEF經(jīng)S2、S1(和D1)流通;UEF=0;iLf經(jīng)S7 、S8流通;UDC為零;如圖4(h)所示。

t=t10~t11:t10時(shí)刻,S5、S6零電壓開(kāi)通;iEF經(jīng)S2、S1(和D1)流通;UEF=0;iLf經(jīng)S7 、S8流通;UDC為零;如圖4(h)所示。

t=t11~t12:t11時(shí)刻,S7 、S8零電壓關(guān)斷;UEF=0;iLf(此時(shí)為iA)經(jīng)S5 、S6流通;iEF經(jīng)S1、S2(和D2)流通;UDC為零;如圖4(i)所示。

t=t12~t13:t12時(shí)刻,S2零電壓關(guān)斷;UEF=0;iLf經(jīng)S5 、S6流通;iEF經(jīng)S1、D2流通;UDC=0; 如圖4(j)所示。t13時(shí)刻,開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

( a ) t1~t2 ( b ) t2 ~ t3

圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)
圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)

( c ) t3 ~ t4~ t5 ( d ) t5~ t6

圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)
圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)

(e ) t6~ t7 ( f ) t7~ t8

圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)
圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)

( g ) t8~ t9 ( h ) t9~ t10~ t11

圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)

( i ) t11~ t12 ( j ) t12~ t13

圖4 移相控制雙向逆變器穩(wěn)態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模態(tài)

4. 參數(shù)設(shè)計(jì)

1)輸出電壓Uo

移相控制時(shí)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式為:

(1)

其中,D為有效占空比,RL為負(fù)載電阻,r為線路等效內(nèi)阻。

2)高頻變壓器匝比N1/N2

由式(1)可得,高頻變壓器匝比N1/N2由式(2)決定:

(2)

式(2)中,Dmax為輸出濾波器前端電壓uDC的最大占空比,Ui,min為輸入電壓的最小值。

3)高頻變壓器原、副邊繞組匝數(shù)N1、N2

高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)N1由式(3)決定:

(3)

式(3)中,Ton max為周期最大開(kāi)通時(shí)間,S為磁芯有效截面積。由式(2)、(3)可得N2。

4)周波變換器實(shí)現(xiàn)ZVS的條件

為了確保周波變換器功率開(kāi)關(guān)能夠可靠地實(shí)現(xiàn)ZVS,周波變換器的換流重疊時(shí)間to必須滿足:

(D/2)max≤0.5-toFs (4)

5)開(kāi)關(guān)頻率Fs

開(kāi)關(guān)頻率越高,高頻變壓器和濾波器體積、重量越小,但開(kāi)關(guān)損耗增大,另外,開(kāi)關(guān)頻率還受式(4)的限制。因此,開(kāi)關(guān)頻率折衷選擇為50kHz。

6)輸出濾波器

隨著輸出濾波電容Cf的增大,輸出電壓uo的THD減小,但輸出電流的無(wú)功分量和變換器的損耗增大。通常,Cf由式(5)決定:

Cf =

(5)

同樣,隨著輸出濾波電感Lf 的增大,輸出電壓uo的THD亦減小,但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢。通常,Lf由式(6)決定:

Lf =(0.5~0.8)RL /(2πFc) (6)

式(5)、(6)中,F(xiàn)c為輸出濾波器的截止頻率。

7)輸出濾波電感電流ILf

輸出濾波電感電流ILf由式(7)決定:

ILf =

(7)

式(7)中,

為輸出電壓的角頻率。

8)功率器件的電壓、電流應(yīng)力

采用全橋橋式拓?fù)鋾r(shí),逆變橋功率開(kāi)關(guān)S1~S4承受的最大電壓應(yīng)力皆為UDSmax=Uimax,其最大有效值電流應(yīng)力為Ilmax/

、峰值電流應(yīng)力為

Ilmax;周波變換器功率開(kāi)關(guān)S5A~S8B穩(wěn)態(tài)時(shí)最大電壓應(yīng)力皆為UimaxN2/N1,其有效值電流應(yīng)力為I2max/

、峰值電流應(yīng)力為

I2max。

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)實(shí)例:全橋橋式拓?fù)?,移相控制策略,輸入電壓Ui=270V±10% DC,輸出電壓Uo=115V/400HzAC,額定容量S=1kVA,開(kāi)關(guān)頻率Fs=50kHz,變壓器原、副邊匝比為N1/N2=25/20,變壓器磁芯選用Mn-Zn鐵氧體R2KBD材料PM62×49, 輸入濾波電感L=300μH,輸入濾波電容C=4.75μF,輸出濾波電感Lf=0.5mH,輸出濾波電容Cf=4.75μF。功率開(kāi)關(guān)S1-S8b均選用IRFP460 MOSFET(20A/500V),兩片移相控制芯片UC3879用于實(shí)現(xiàn)移相控制。

雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器原理試驗(yàn)波形如圖5所示。圖5(a)變壓器原邊繞組電壓波形,其為高頻三態(tài)雙極性SPWM波;圖5(b)周波變換器功率開(kāi)關(guān)S6的漏源電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形,實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS);圖5(c)為兩片UC3879輸入的電壓移位誤差放大信號(hào)Ue1*、Ue2*,經(jīng)電壓移位后,原先互相反相的雙極性電壓誤差放大信號(hào)變換為單極性信號(hào);圖5(d)為周波變換器兩組功率開(kāi)關(guān)之間的重疊導(dǎo)通時(shí)間波形,實(shí)現(xiàn)周波變換器的換流;圖5(e)為輸出電壓波形,良好的正弦波形證實(shí)了理論分析的正確性。

變壓器原邊繞組電壓波形

橫坐標(biāo):10µs/格 縱坐標(biāo): 100V/格

(a)變壓器原邊繞組電壓波形

(b)周波變換器功率開(kāi)關(guān)S6的漏源電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形

CH1:漏源電壓 橫軸:5µs/格 縱軸:50V/格

CH2:驅(qū)動(dòng)電壓 橫軸:5µs/格 縱軸:5V/格

(b)周波變換器功率開(kāi)關(guān)S6的漏源電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形

CH1:Ue1* 橫軸:500µs/格 縱軸:1V/格

CH2:Ue2* 橫軸:500µs/格 縱軸:1V/格

(c)兩片UC3879輸入的電壓移位誤差放大信號(hào)Ue1*、Ue2*

新型高頻鏈逆變器研究分析

CH1:功率開(kāi)關(guān)S5、S6的控制信號(hào) 橫軸:2µs/格 縱軸:5V/格

CH2:功率開(kāi)關(guān)S7、S8的控制信號(hào) 橫軸:2µs/格 縱軸:5V/格

(d)周波變換器兩組功率開(kāi)關(guān)之間的重疊導(dǎo)通時(shí)間波形

 雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器原理試驗(yàn)波形

橫坐標(biāo):1ms/格 縱坐標(biāo): 100V/格

(e)輸出電壓波形

圖5 雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器原理試驗(yàn)波形

6. 結(jié)論

(1)雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)由高頻逆變橋、高頻變壓器、周波變換器等構(gòu)成,具有雙向功率流、拓?fù)浜?jiǎn)潔、高頻電氣隔離、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)采用移相控制策略,雙向高頻環(huán)節(jié)逆變器實(shí)現(xiàn)了周波變換器的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)、輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波、輸出濾波器體積重量小、輸出波形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

(3)原理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性。

參考文獻(xiàn)

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[4]Novel Static Inverters With High Frequency Pulse DC Link . IEEE Trans.Daolian Chen , Lei Li . Power Electron.2004,19(4):971~978

[5]New conversion system for UPS using high frequency link[J]I.Yamato,N. Tokunaga,Y. Matsuda,H. Amano,Y. Suzuki..IEEE PESC,1988:658-663



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