7.5kVA單相航空靜止變流器的設計

引言

航空靜止變流器要求可靠性高、體積小、重量輕和電氣性能好，尤其對可靠性有特別高的要求。為此，我們分析并應用一種新穎雙管正激組合變換器作為逆變器直流輸入前級，它既具有雙管正激變換器內(nèi)部橋臂無直通現(xiàn)象、原邊開關管電壓應力低等可靠性高的優(yōu)點，同時克服了雙管正激變換器由于輸出整流和續(xù)流二極管電壓應力過高、不能可靠應用于輸出高電壓場合的弱點[1][2]。靜止變流器逆變部分采用了三態(tài)滯環(huán)電流控制型逆變器，其相對于電壓控制型逆變器具有響應速度快和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，其相對于二態(tài)滯環(huán)電流控制型逆變器具有輸出電壓THD低和效率高的優(yōu)點[4]。

1 原理分析

7.5kV·A單相航空靜止變流器系統(tǒng)結(jié)構框圖，如圖1所示，它由三相不控整流橋、雙管正激組合DC/DC直流變換器和三態(tài)滯環(huán)電流控制型單相逆變器三部分構成。直流變換器把不控整流橋輸出的脈動直流電壓240～300V提高到360V，以滿足逆變器最低輸入電壓幅值的要求。

1.1 DC/DC變換器原理分析

在雙管正激變換器及其隔離式直流變換器中，由于副邊輸出整流和續(xù)流二極管的電壓應力與輸出電壓成正比，快恢復二極管電壓應力越高，其關斷時反向恢復過程產(chǎn)生的電壓尖峰和熱應力問題就越嚴重，危及二極管的安全運行，因此，副邊輸出二極管是隔離式變換器輸出高壓時的最薄弱環(huán)節(jié)。變壓器副邊輸出續(xù)流快恢復二極管電壓定額等級越高，往往其反向恢復時間就越長[5]，反向恢復過程中變壓器漏感儲能也就越大；當反向恢復過程結(jié)束時，產(chǎn)生的加在該續(xù)流二極管上的電壓尖峰就越高。另外，副邊輸出續(xù)流二極管反向恢復時間越長，變換器輸出占空比丟失現(xiàn)象就越嚴重，須增加變壓器副邊匝數(shù)，導致進一步增大輸出整流和續(xù)流二極管電壓應力。因此，提高變換器輸出高壓時的可靠性，關鍵是降低副邊輸出二極管的電壓應力。通過串聯(lián)二極管以及另加吸收電路的方式，雖可以降低二極管電壓應力，但串聯(lián)時的均壓電容和吸收電容會增大變壓器原邊的開關管電流應力，并且可能會引起變壓器漏感和均壓電容的振蕩；另外，阻容吸收電路的功耗也降低了整個變換器效率。

為了有效降低變壓器副邊輸出二極管電壓應力，我們采用了一種新穎雙管正激組合變換器[2][3]。如圖2所示，變壓器原邊輸入端4路雙管正激交錯并聯(lián)、副邊輸出端采用先并聯(lián)后串聯(lián)的組合形式。

圖2

該組合變換器輸入、輸出電壓關系式為

Vo=4N(2L)DVin （1）

式中：Vin和Vo分別為輸入和輸出電壓；

D為功率開關管（Q1～Q8）的導通占空比；

N（2L）為高頻變壓器（T1～T4）副邊與原邊的匝數(shù)之比。

副邊輸出續(xù)流二極管（D10及D14）電壓應力VF（2L）為

VF(2L)=N(2L)Vin （2）

副邊輸出整流二極管(D9，D11～D13)電壓應力VR(2L)為

VR(2L)=2N(2L)Vin （3）

而對于雙管正激變換器，其輸出電壓Vo、副邊整流二極管電壓應力VR(1L)和副邊續(xù)流二極管電壓應力VF(1L)分別如式（4）～式（6）所示[1]。

Vo=N(1L)DVin （4）

VR(1L)=N(1L)Vin （5）

VF(1L)=N(1L)Vin （6）

式中：N(1L)為雙管正激變換器的高頻變壓器副邊與原邊的匝數(shù)之比。

當兩種變換器輸入、輸出電壓及導通占空比均相同時，由式（1）～式（6）可得關系式

式（7）及式（8）表明，新穎組合變換器副邊輸出續(xù)流二極管電壓應力僅為雙管正激變換器對應副邊二極管的1/4，大大降低了二極管耐壓等級。為此，我們采用了耐壓為600V的快恢復二極管DSEI30-06A作為副邊續(xù)流二極管，其反向恢復時間為35ns，且無須另加阻容吸收電路，其電壓尖峰不超過350V。因此，該新穎組合變換器可以可靠地應用于輸出高電壓場合。