解決高頻脈沖逆變器中電壓過沖和實(shí)現(xiàn)變換器軟換流問題

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器[1][2]具有雙向功率流、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)、變換效率和可靠性高等特點(diǎn)，但存在周波變換器器件換流時(shí)的電壓過沖現(xiàn)象等缺點(diǎn)，通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲(chǔ)在漏感中的能量，從而降低了變換效率或增添了電路的復(fù)雜性。因此，在不增加電路拓?fù)鋸?fù)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(shí)現(xiàn)周波變換器的軟換流，是這類逆變器的研究重點(diǎn)。

1 高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)渥?/strong>

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)渥澹鐖D1所示。這類電路由高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器構(gòu)成，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1(a)及圖1(b)所示推挽式電路適用于低壓輸入變換場(chǎng)合，圖1(c)～圖1(f)所示橋式電路適用于高壓輸入變換場(chǎng)合；圖1(a)，圖1(c)及圖1(e)所示全波式電路適用于低壓大電流輸出場(chǎng)合，而圖1(b)，圖1(d)及圖1(f)所示橋式電路適用于高壓小電流輸出場(chǎng)合。

2 雙極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器穩(wěn)態(tài)分析

2.1 雙極性移相控制原理

以全橋全波式電路拓?fù)錇槔?，其雙極性移相控制原理，如圖2所示。輸出電壓uo與正弦基準(zhǔn)電壓uref比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到誤差放大信號(hào)ue，ue分別與極性相反的兩個(gè)載波信號(hào)uc1及uc2比較后，經(jīng)上升沿二分頻，再按輸出濾波電流極性選擇導(dǎo)通，得到開關(guān)S5及S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。開關(guān)S7及S8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別與S5及S6的信號(hào)反相互補(bǔ)，并且有換流重疊時(shí)間(圖2中未畫出)。將載波信號(hào)uc1二分頻后得到開關(guān)S1和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反相后得到開關(guān)S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

讓周波變換器的功率開關(guān)S5與S7(S6與S8)之間存在換流重疊導(dǎo)通時(shí)間、功率開關(guān)S5與S6(S7與S8)按濾波電感電流iLf極性選擇導(dǎo)通，從而使得該控制方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)周波變換器換流重疊期間實(shí)現(xiàn)了變壓器漏感能量的自然換流，實(shí)現(xiàn)了功率器件的零電流開關(guān)，解決了固有的電壓過沖現(xiàn)象；

2)實(shí)現(xiàn)了濾波電感電流的自然續(xù)流；

3)濾波電感電流極性選擇信號(hào)的引入避免了換流重疊期間周波變換器中的環(huán)流現(xiàn)象；

4)每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩次交流側(cè)的能量回饋實(shí)現(xiàn)了逆變橋所有功率器件的零電壓開通。

功率開關(guān)S5、S6與S1、S4(S7、S8與S2、S3)之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均有相位差θ(0≤θ≤180°)，在一個(gè)開關(guān)周期的共同導(dǎo)通時(shí)間DTs/2可表示為

由于移相角θ和共同導(dǎo)通時(shí)間DTs/2均按正弦規(guī)律變化，且輸出濾波器前端電壓uDC為雙極性SPWM波，因此這種控制方式稱為雙極性移相控制。調(diào)節(jié)移相角θ可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定。

2.2穩(wěn)態(tài)分析

設(shè)變壓器原、副邊漏感相等，即Llk1=Llk2=Llk3=Llk。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)逆變器有12種工作模式，如圖3所示。

t=t1～t2：t1時(shí)刻，功率開關(guān)S1及S4實(shí)現(xiàn)了ZVS開通，輸出濾波電感電流iLf經(jīng)功率開關(guān)S7及S8續(xù)流，交流側(cè)能量經(jīng)D1及D4回饋到直流電源，如圖3(b)所示。t=t2～t3：t2時(shí)刻S5實(shí)現(xiàn)了ZCS開通，在此換流重疊期間，iLf由S7、S8和S5、S6兩路流通，i2快速增長(zhǎng)，i3快速下降；i1快速由負(fù)轉(zhuǎn)換為正，如圖3(c)所示。設(shè)變壓器原邊繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e，則有