單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器研究

摘 要：深入分析研究了高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器穩(wěn)態(tài)原理特性與單極性移相控策略 采用狀態(tài)空間平均法建立了逆變器平均模型,獲得了輸出電壓．濾波電感電流、共同導通時間、單極性SPWM波占空比等關鍵電路參數(shù)的設計準則和逆變器的外特性曲.原理試驗結(jié)果證實了理論分析的正確性 這類逆變器具有電路拓撲簡潔、兩級功率變換(DC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、周波變換器實現(xiàn)了ZVS換流、單極性SPWM波等優(yōu)點,包括全橋全波式、全橋橋式兩種電路,前者適用于低壓輸出逆變場臺,后者適用于高壓輸出逆變場合。
關鍵詞：單極性移相控制;高頻脈沖交流環(huán)節(jié);逆變器;周波變換器;軟換流

O 引言
傳統(tǒng)的逆變器雖然技術成熟可靠、應用廣泛,但存在體積大且笨重、音頻噪音大、系統(tǒng)動態(tài)特性差等缺點.用高頻變壓器替代傳統(tǒng)逆變器中的工頻變壓器,克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點,顯著提高了逆變器的特性。
單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器[1]具有單向功率流、三級功率變換(DC/HFAC/DC/LFAC).變換效率和可靠性不夠理想、但應用較廣泛等特點;高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器[1]有效地解決了單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器的開關損耗和電磁干擾問題,具有優(yōu)良的綜合性能．適用于單向功率流逆變場合;高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器[2][3]具有雙向功率流、兩級功率變換(DC/HFAC/LFAC)、變換效率和可靠性高等特點,但存在周波變換器器件換流時導致的電壓過沖現(xiàn)象等缺點,通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲在 感中的能量．從而降低了變換效率或增添了電路的復雜性。因此.在不增加電路拓撲復雜性的前提下,如何解決高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器固有的電壓過沖現(xiàn)象和實現(xiàn)周波變換器的軟換流,是這類逆變器的研究重點。
借鑒高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器的思想,如果高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器的周波變換器換流,是在前級輸出的雙極性三態(tài)高頻脈沖交流電壓渡為零期間進行,那么就可以實現(xiàn)周波變換器的ZVS換流.本文主要開展這類逆變器原理特性、關鍵電路參數(shù)準則與原理試驗研究,為正確設計這類逆變器奠定了技術基礎。

l 電路拓撲與單極性移相控制原理
1.l 電路拓撲
高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器．如圖l所示。這類逆變器由高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器構(gòu)成,具有電路拓撲簡潔,兩級功率變換(DC/HFAC/LFAC),雙向功率流、變換效率高等優(yōu)點圖1(a)全橋全波式電路功率開關數(shù)少、電壓應力高、變壓器繞阻利用率低、適用于低壓輸出場合,圖l(b)全橋橋式電路的特點與全橋全波式電路正好相反。

1.2單極性移相控制原理

以全橋全波式電路為例,其單極性移相控制原理,如圖2所示。

逆變器將輸入電壓Uiymf 制成雙極性三態(tài)的電壓波uEF,周波變換器將此電壓波解調(diào)成單極性SPWM波,經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓u0。．周波變換器功率開關在UEF為零期間進行ZVS換流.逆變器右橋臂相對左橋臂存在移相角θ,而且輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波,故為單極性移相控制。Ugsl與Ugs4,Ugs2與ugs3之間在一個開關周期Ts內(nèi)的共同導通時間為Tcom=Ts(180。-θ=/(2×180。) (1)

當輸入電壓Ui降低或負載變大時,導致輸出電壓Uo．降低,閉環(huán)反饋控制使得移相角θ減小、共同導通時間Tcom增大,從而使得輸出電壓增大。因此．調(diào)節(jié)移相角θ可實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2 穩(wěn)態(tài)原理與外特性
2.1 穩(wěn)態(tài)原理
以輸出電uo>O、濾波電感電流iLf>0為例．穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流連續(xù)時．一個開關周期內(nèi)的6個開關狀態(tài)電路,如圖3(a)～(f)所示.圖3(a)、(b)、(d)、(e)和圖3(c)、(f)可分別用圖3(g)、(h)所示等效電路表示,其中r為包括變壓器繞阻電阻、漏抗、功率開關通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻.由于開關頻率fs遠大于輸出濾波器截止頻率和輸出電壓的頻率,因此,在一個開關周期內(nèi)輸出電壓uo可看成恒定量,可用狀態(tài)空間平均法建立輸出電壓、濾波電感電流的定量關系式.