優(yōu)良綜合性能的高頻軟開關(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(jié)逆變器新思路，深入分析研究了該軟開關(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(shù)設(shè)計準(zhǔn)則。設(shè)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、動態(tài)響應(yīng)速度快、輸出波形失真度低、過載與短路能力強、可靠性高等優(yōu)良的綜合性能。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；高頻環(huán)節(jié)逆變器；高頻脈沖直流環(huán)節(jié)；三態(tài)離散脈沖調(diào)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

綜合軟化開關(guān)高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器，解決了分級軟化開關(guān)高頻環(huán)節(jié)逆變器存在的電路拓?fù)鋸?fù)雜，功率密度和變換效率偏低，成本偏高等問題[1，2]。這類軟開關(guān)逆變器由電氣隔離型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)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(jié)逆變器電路拓?fù)?，如圖1（a）所示。該電路仍存在電路拓?fù)浜涂刂破珡?fù)雜，體積重量偏大，變換效率和可靠性偏低等缺點。為了進一步簡化高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路拓?fù)洌俅翁岢隽烁哳l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(jié)逆變器工作原理，控制策略，關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則，并給出了樣機試驗結(jié) 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(jié) 逆 變 器 電 路 拓 撲

2 占空比擴展的高頻脈沖直流環(huán)節(jié)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(jié)逆變器電路拓?fù)洌鐖D1（b）所示。單管有源箝位正激式高頻脈沖直流環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)，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過零處進行開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS）。逆變橋輸出的調(diào)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。

箝位開關(guān)Sc與箝位電容Cc串聯(lián)支路，構(gòu)成了正激變換器的有源箝位支路，實現(xiàn)了高頻變壓器T的磁復(fù)位。功率開關(guān)Sr與電容Cr串聯(lián)支路不但可用來吸收DC/AC逆變橋交流側(cè)回饋的無功能量，而且可以實現(xiàn)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(qū)動信號相對于功率開關(guān)S的驅(qū)動信號稍延遲開通t3時間，大大延遲關(guān)斷t4時間。合理設(shè)計吸收支路開關(guān)Sr的延遲時間t4，也就實現(xiàn)了高頻脈沖電壓波udo的擴展。吸收開關(guān)Sr與功率開關(guān)S均截止時，udo為零電平，在此期間實現(xiàn)DC/AC逆變橋功率開關(guān)的ZVS轉(zhuǎn)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(diào)制電流控制技術(shù)

高頻脈沖直流環(huán)節(jié)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(jié)電路采用輸入電壓前饋脈寬調(diào)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(zhǔn)電壓信號ug比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，電壓外環(huán)的輸出信號ig作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號。電流內(nèi)環(huán)為三態(tài)離散脈沖滯環(huán)跟蹤控制調(diào)節(jié)器。濾波電感電流反饋信號if在正、負(fù)環(huán)寬范圍內(nèi)跟蹤ig變化。滯環(huán)比較結(jié)果經(jīng)采樣信號uc（過零信號）采樣，控制功率開關(guān)S1、S2、S3、S4在udo零電平期間開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而獲得輸出調(diào)制電壓uAB，其控制規(guī)律為

(a) 控 制 原 理

(b) 原 理 波 形