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高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器控制策略

作者: 時(shí)間:2011-09-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

交流環(huán)節(jié)逆變器,如圖1所示。該電路結(jié)構(gòu)由高頻逆變器(推挽式、半橋式、全橋式)、高頻變壓器、周波變換器(全波式、橋式)構(gòu)成,具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、雙向功率流、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。



但這類逆變器在采用傳統(tǒng)的PWM技術(shù)時(shí),周波變換器器件換流將打斷高頻變壓器漏感中連續(xù)的電流而造成不可避免的電壓過沖。由于這個(gè)原因,這類方案都需采用一些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。有源電壓箝位電路是以增加功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜性為代價(jià)的,故不十分理想。

因此,在不增加電路拓?fù)鋸?fù)雜性的前提下,如何解決交流環(huán)節(jié)逆變器固有的電壓過沖問題和實(shí)現(xiàn)周波變換器的軟換流技術(shù),是高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的一個(gè)研究重點(diǎn)。為此,本文提出和研究了單極性、雙極性移相控制策略,可分別使得逆變器功率器件實(shí)現(xiàn)ZVS或ZVZCS軟開關(guān)

2 單極性移相控制原理

根據(jù)高頻逆變器(推挽式、半橋式、全橋式)、周波變換器(全波式、橋式)的組合不同,交流環(huán)節(jié)逆變器具有6種電路拓?fù)?,其中全橋全波式、全橋橋式電路如圖2所示。





以全橋全波式高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器為例,其單極性移相控制原理,如圖3所示。高頻逆變器將輸入電壓Ui調(diào)制成雙極性三態(tài)電壓波uEF,周波變換器將此電壓波解調(diào)為單極性SPWM波uDC,經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓uo,周波變換器功率開關(guān)在uEF為零期間進(jìn)行ZVS換流。逆變器右橋臂相對(duì)左橋臂存在移相角θ,而且輸出濾波器前端電壓uDC為單極性SPWM波,故為單極性移相控制。S1與S4、S2與S3之間在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的共同導(dǎo)通時(shí)間為

Tcom=Ts(180o-θ)/ (2×180o )              (1)

當(dāng)輸入電壓Ui降低或負(fù)載變大時(shí),導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)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(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定

實(shí)現(xiàn)單極性移相控制的方案為:1、將輸出電壓反饋信號(hào)uof與正弦基準(zhǔn)電壓uref比較放大后得到電壓誤差放大信號(hào)ue1,ue1與載波uc比較后得到信號(hào)k1,k1下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S1、S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào);2、將ue1反極性信號(hào)ue2與載波uc比較后得到信號(hào)k2,k2下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S2、S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào);3、將載波uc下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S5(S6)、S7(S8)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在逆變器穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流iLf連續(xù)時(shí),一個(gè)高頻開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為六個(gè)開關(guān)狀態(tài)(以u(píng)DC>0時(shí)為例),如圖4(a)~(f)所示。圖4(a)、(b) 、(d)、(e)和圖4 (c)、(f)可分別用圖4(g)、(h)所示等效電路表示,其中r為包括變壓器漏阻抗、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效阻抗。



由于開關(guān)頻率Fs遠(yuǎn)大于輸出LC濾波器的截止頻率和輸出電壓頻率,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓uo可看成恒定量。圖4(g)所示等效電路的狀態(tài)方程為


3 雙極性移相控制原理

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器雙極性移相控制原理(以全橋全波式為例),如圖5所示。輸出電壓反饋信號(hào)uof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、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、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。開關(guān)S7、S8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別與S5、S6的信號(hào)反相互補(bǔ),并且有換流重疊時(shí)間(圖中未畫出)。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、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);2、實(shí)現(xiàn)了濾波電感電流的自然續(xù)流;3、iLf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[5]。



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,在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的共同導(dǎo)通時(shí)間為Tcom,見(1)式。由于移相角θ按正弦規(guī)律變化,且輸出濾波器的前端電壓uDC為雙極性SPWM波,故稱為雙極性移相控制。在穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流iLf連續(xù)時(shí),一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)可分為四個(gè)開關(guān)狀態(tài),如圖6(a)~(d)所示。圖6(a)、(d)和圖6(b)、(c)可分別用圖6(e)、(f)所示等效電路表示,其中r為等效阻抗。



4 原理試驗(yàn)與仿真

4.1 單極性移相控制

設(shè)計(jì)實(shí)例:全橋橋式電路拓?fù)?,單極性移相控制策略,輸入電壓Ui=270V±10% DC,輸出電壓Uo=115V/400Hz AC,額定容量S=1kVA,開關(guān)頻率Fs=50kHz,變壓器匝比N1/N2=25/20,濾波電感為0.5mH,濾波電容為2uF。




單極性移相控制逆變器原理試驗(yàn)波形,如圖7所示。圖7(a)為變壓器原邊繞組電壓uEF波形,變壓器電壓是高頻交流脈沖波;圖7(b)為周波變換器功率開關(guān)S6B的驅(qū)動(dòng)電壓和漏源電壓波形,實(shí)現(xiàn)了ZVS開關(guān);圖7(c)為輸出濾波器前端電壓波形uDC,是單極性SPWM波;圖7(d)為輸出電壓波形,其有效值為115V,頻率為400Hz,波形光滑、失真度低。

4.2 雙極性移相控制

全橋全波式電路為例,輸入電壓Ui=270V±10% DC,輸出電壓Uo=115V/400Hz AC,額定容量S=1kVA,開關(guān)頻率Fs=50kHz,變壓器匝比N1/N2 =22/22,變壓器漏感Ld=5uH,濾波電感為1mH,濾波電容為4.4uF。圖8為其仿真波形(iLf>0時(shí),iLf= iA+iB),從中可見:1、前級(jí)逆變橋功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS軟開關(guān)(參看開關(guān)S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs3和漏源電壓uds3);2、后級(jí)周波變換器功率開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷,是ZCS開關(guān)(參看開關(guān)S5、S7的漏源電流iA、iB和驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs5、ugs7)。

雙極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器原理試驗(yàn)波形,如圖9所示。可以看出,在輸出濾波電感電流過零點(diǎn),輸出波形存在畸變,這是由于周波變換器功率開關(guān)的控制信號(hào)里加入了電流極性選擇信號(hào)。

6 結(jié)論

為克服高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器存在的電壓過沖現(xiàn)象,本文提出和研究了單極性、雙極性移相控制策略。采用單極性移相控制,周波變換器功率器件可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān);而采用雙極性移相控制時(shí),前級(jí)逆變橋可實(shí)現(xiàn)ZVS,后級(jí)周波變換器可實(shí)現(xiàn)ZCS軟開關(guān)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了兩類控制策略的可行性。




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