一種新穎的高頻鏈逆變器

1 引言

提高逆變器開關(guān)頻率有助于減小濾波器體積和用高頻變壓器來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(xiàn)逆變器的小型化和輕量化。但是功率開關(guān)器件的高頻開關(guān)帶來了開關(guān)損耗比較嚴(yán)重。高頻脈沖直流逆變器既具有高頻環(huán)節(jié)逆變器的優(yōu)點(diǎn)，又能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器的軟開關(guān)，是性能較好的高頻環(huán)節(jié)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?qū)ΨQ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(jié)逆變器理想的前置級(jí)電路拓?fù)?。采取適當(dāng)?shù)目刂品桨赴阉麄冇行У慕Y(jié)合起來，則可以為低壓中大功率場(chǎng)合的逆變器尋找一種理想拓?fù)洹?/p>

圖1 推挽正激式高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)?/p>

2 電路拓?fù)?/strong>

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

3 控制方案

3.1 級(jí)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(jí)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(jí)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，選擇在直流母線電壓過零點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。該控制方案實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)簡(jiǎn)單，但具有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：①負(fù)載擾動(dòng)變化在前級(jí)的直流變換器的閉環(huán)反饋之外，在負(fù)載變化時(shí)前級(jí)控制器反映較慢。②后級(jí)為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)需要選擇電壓過零點(diǎn)，這種離散脈沖控制方式引入了控制滯后問題，增加了輸出電壓諧波，增大了濾波器體積。③后級(jí)的逆變橋在能量回饋的時(shí)由于直流母線電壓不能回零依然工作于硬開關(guān)狀態(tài)。

圖2 級(jí)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(fù)載擾動(dòng)包括在內(nèi)，能對(duì)負(fù)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，后級(jí)逆變橋基本上工作于低頻開關(guān)狀態(tài)，開關(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(hào)經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為電流的給定信號(hào)。檢測(cè)濾波電感的電流信號(hào)與給定電流信號(hào)相比較后的信號(hào)經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與三角載波相交截,產(chǎn)生SPWM 波來控制S1, S1控制信號(hào)經(jīng)過延時(shí)后的信號(hào)來控制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。全橋逆變器功率開關(guān)管S4 、S5 ，S6、S7分別互補(bǔ)工作。無能量回饋的時(shí)候，所有逆變橋功率開關(guān)器件按輸出電壓頻率開關(guān)，當(dāng)輸出電壓為正電壓時(shí),S4，S7 導(dǎo)通；輸出為負(fù)電壓時(shí)候,S5，S7 導(dǎo)通。當(dāng)有能量回饋時(shí)候，由于SC 反并的二極管導(dǎo)通,逆變器母線電壓被鉗制為Ce 的電容電壓。因此,逆變器母線電壓不能周期性回零,逆變器工作在硬開關(guān)狀態(tài)。此時(shí)S4 、S5 高頻互補(bǔ)工作,S6，S7低頻互補(bǔ)工作。當(dāng)輸出電壓為正而濾波電感電流為負(fù)時(shí),S7 一直開通,如果此時(shí)SC控制信號(hào)為高電平則S4開通，如果SC控制信號(hào)為低電平，則S5開通；當(dāng)輸出電壓為負(fù)而濾波電感電流為正時(shí)，S6一直開通，如果此時(shí)SC控制信號(hào)為高電平則開通，如果SC控制信號(hào)為低電平，則S4開通。整個(gè)系統(tǒng)控制信號(hào)如圖4所示。

圖3 SPWM控制方案

圖4 SPWM控制方案控制信號(hào)圖

4逆變器工作分析

采用SPWM控制方案明顯優(yōu)于級(jí)聯(lián)式控制方法，其逆變橋?qū)⒐ぷ饔诘皖l開關(guān)狀態(tài)。逆變橋穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)輸出電壓周期內(nèi)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(fù)向電壓時(shí)情況類似。

uAB>0 iLf>0 ugsc=1時(shí)，S4，S7開通，S5，S6截止，uAB=uhf，直流母線電壓為高，電流流過S5，濾波電感、負(fù)載、S7回到直流母線。此時(shí)，四個(gè)功率開關(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開通，S5截止，S6體二極管導(dǎo)通續(xù)流，直流母線電壓為零，電流一路流過S4、濾波電感、負(fù)載、S5續(xù)流，一路流過S5，濾波電感、負(fù)載、S7回到直流母線。此時(shí)，功率開關(guān)器件開關(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 開通，直流母線電壓為高，電流流過濾波電感，S5，S7，負(fù)載續(xù)流。功率開關(guān)管S4為軟關(guān)斷、S5為硬開通，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開通，S5，S7關(guān)斷，直流母線電壓為高，電流流過濾波電感，S4、S7、負(fù)載回饋能量給直流母線。功率開關(guān)管S4由于死區(qū)的存在為軟開通，S5為硬關(guān)斷，S6，S7工作于低頻狀態(tài)。

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

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

綜上分析，逆變橋在無能量回饋時(shí)候，功率開關(guān)管都工作于低頻狀態(tài)，故開關(guān)損耗可忽略不計(jì)，僅在有能量回饋時(shí)候，逆變橋有一個(gè)開關(guān)管工作于高頻硬開關(guān)狀態(tài)，故整個(gè)逆變橋開關(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(shù)設(shè)計(jì)

5.1箝位電容Cc

6實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SPWM控制方式下推挽正激式高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理進(jìn)行以下條件的實(shí)驗(yàn)：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，開關(guān)頻率Fs=48kHz，阻性負(fù)載500W。各處實(shí)驗(yàn)波形如下：

（a）逆變橋功率器件驅(qū)動(dòng)與漏源電壓

縱軸：CH2（驅(qū)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(yàn)結(jié)果可以看出：在阻性負(fù)載情況下，逆變橋功率管工作于低頻狀態(tài)，開關(guān)損耗低，輸出電壓質(zhì)量高。

7結(jié)論

研究結(jié)果表明，本文提出的SPWM控制下的推挽正激式高頻環(huán)節(jié)逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。②逆變橋基本上工作于低頻開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗小。③前級(jí)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?fù)?，可用于航空靜止變流器、太陽能發(fā)電，燃料電池發(fā)電等場(chǎng)合。