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一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC逆變器的設(shè)計

作者: 時間:2014-10-21 來源:網(wǎng)絡 收藏

  1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/264222.htm

  目前,PWM功率變換技術(shù)得到了廣泛的應用。對于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下的PWM逆變器,由于其開關(guān)損耗大,并且產(chǎn)生嚴重,難以滿足開關(guān)電源高頻化、綠色化的要求。為克服硬開關(guān)的不足,軟開關(guān)技術(shù)得到迅速的發(fā)展,特別是DC/DC變換器移相軟開關(guān)技術(shù)已趨于成熟。但對于變換器,由于考慮其輸出波形質(zhì)量等因素,目前,還沒有真正意義上的軟開關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)過一些變換器拓撲和軟開關(guān)控制技術(shù)[1][2][3],但這些方法還不能真正走向?qū)嵱谩?/p>

  文獻[4]介紹了用諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān),是一種比較好的方法,然而這一技術(shù)需要跟蹤電路中的電壓和電流,在電壓和電流過零處實現(xiàn)軟開關(guān),這必然使電路變得復雜。為較好地解決這一難題,文獻[5]介紹了利用電感換流的非諧振軟開關(guān)PWM技術(shù),然而這一技術(shù)只適用于雙極性電壓控制的變換器電路。在分析文獻[5]的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計出了一種適用單極倍頻[6]軟開關(guān)DC/AC變換器電路。

  2 單極倍頻軟開關(guān)DC/AC變換器主電路

  2.1 主電路結(jié)構(gòu)

  圖1所示為新型單極倍頻軟開關(guān)DC/AC逆變器主電路原理圖。圖2為其主要工作波形。該電路在硬開關(guān)SPWMDC/AC逆變器的基礎(chǔ)上添加了電容C1,C2,C3,C4,Cr1,Cr2,CE1,CE2電感Lr1,Lr2,其中電容C1=C2=C3=C4,Cr1=Cr2,電感Lr1=Lr2,大容量電解電容CE1=CE2視為恒壓源。這些元件為電路中的4只功率管實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)創(chuàng)造了條件。

  

主電路結(jié)構(gòu)

 

  圖1 主電路結(jié)構(gòu)

  

主電路主要工作波形

 

  圖2 主電路主要工作波形

  2.2 軟開關(guān)的實現(xiàn)原理

  以下公式中的電壓、電流方向以圖1中的參考方向為準。并假設(shè)負載電流io連續(xù)。

  1)工作模式1(t0-t1時間段)

  在這一時間段中S1及S3導通,S2及S4關(guān)閉,iLr1從電源ED的正極經(jīng)過S1,Cr1,Lr1,CE2,到ED的負極并逐漸增大;同時電容CE1經(jīng)過S3,Cr2,Lr2繼續(xù)放電,放電電流iLr2繼續(xù)上升,在t1時刻iLr2達到最大,即

  iLr2(ωt1)=αIomsinωt1-

公式
(1-α2sin2ωt1)(1)

 

  式中:α為調(diào)制比;Iom為負載電流最大值,Iom=ED/RL;ω=2πfc,fc為載波頻率。

  對應的等效電路拓撲見圖3(a)。

  2)工作模式2(t1-t2時間段)

  在此時間段,功率管S1繼續(xù)導通,iLr1繼續(xù)增大。t1時刻S3關(guān)斷,集電極電流i3從開關(guān)管S3轉(zhuǎn)換到緩沖電容C3,為C3充電,C3上的電壓從零開始上升,S3實現(xiàn)零電壓關(guān)斷;同時,存儲在C4上的能量通過Cr2,Lr2,CE2回路放電,其等效電路拓撲如圖3(b)。從圖可看出,C3充電回路與C4放電回路參數(shù)相同。因此,在t=t2時刻,vC3=ED,vC4=0。充放電時間t21為

  t21=t2-t1=

公式
(2)

 

  3)工作模式3(t2-t3時間段)

  在t=t2時刻D4導通,為循環(huán)電流iL2的續(xù)流提供通路,vC4被箝位于零,即vC4=0。若在iL2=0之前,S4的觸發(fā)信號到來,S4實現(xiàn)零電壓開通。其等效拓撲如圖3(c)所示。

  4)工作模式4(t3-t4時間段)

  在t3時刻S4零電壓開通。循環(huán)電流iL2繼續(xù)通過D4續(xù)流,在t4時刻續(xù)流完畢。續(xù)流時間t41為

  t41=t4-t1=-

公式
(3)

 

  其等效電路拓撲如圖3(d)。

  5)工作模式5(t4-t5時間段)

  t4時刻后,S4的集電極電流從零開始上升。電源ED為負載提供能量。其等效電路拓撲如圖3(d)。

  

各種模式下的等效電路拓撲

 

  (a) t0-t1

  

各種模式下的等效電路拓撲

 

  (b) t1-t2

  

各種模式下的等效電路拓撲

 

  (c) t2-t3

  

各種模式下的等效電路拓撲

 

  (d) t3-t4

  圖3 各種模式下的等效電路拓撲

  在t5時刻,S1關(guān)斷,緩沖電容C1的存在,S1實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。t5時刻之后,電路進入開關(guān)周期的下半周期,其工作模式同上。

  2.3 電路特性討論

  1)主電路中不需要任何電壓/電流檢測裝置來實現(xiàn)開關(guān)管軟開通。

  2)由于開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān),所以逆變器的輸出電壓波形不會因為死區(qū)時間td的存在而發(fā)生畸變。

  3)不會因為同一橋臂的兩個二極管的反向恢復電流而導致橋臂直通。

  4)控制電路采用單極倍頻電壓控制信號,主電路在一個周期中各個時間段過渡時,僅有一個開關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生改變,這就降低了在產(chǎn)生一定的脈波數(shù)時開關(guān)的動作次數(shù),或者說用同樣的開關(guān)頻率可以把輸出電壓中脈波數(shù)提高一倍,這對減小開關(guān)損耗,提高逆變器的工作效率都是有好處的。

  5)在主電路的SPWM輸出電壓波形中,正向只有正電壓脈沖,負向只有負電壓脈沖,這對減小輸出濾波參數(shù),提高輸出波形質(zhì)量是有好處的。

  由于單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器的超前橋臂控制信號與滯后橋臂的控制信號相差180°,所以超前臂的開關(guān)動作與滯后臂相對獨立。這為各橋臂上的驅(qū)動信號相差120°的,三相逆變器電感換流調(diào)頻軟開關(guān)技術(shù)的進一步研究,打下了較好的基礎(chǔ)。

  3 主要參數(shù)設(shè)計

  3.1 電感Lr1(Lr2)的設(shè)計

  由2.3的分析知

  

公式
≥td(4)

 

  將式(1)代入式(4)并整理有

  Lr2≤(1-α)(1+α-4fctd)

公式
(5)

 

  3.2 電容Cr1(Cr2)的設(shè)計

  由2.2的工作過程分析可知,在緩沖電容C3及C4充放電時間很短的情況下,圖1等效拓撲如圖4所示。

  

等效電路拓撲

 

  圖4 等效電路拓撲

  根據(jù)等效拓撲,有式(6)成立

  di3/dt=(ED-vCr2)/Lr2;dvCr2/dt=iLr2/Cr2(6)

  進一步得到i3的最大值為

  i3max=ED/4fcLr2(1+1/48fc2Lr2Cr2)(7)

  由式(7)可知,為了盡可能最大限度向負載傳輸能量,集電極電流i3應盡可能大,所以,Cr2越小越好。然而Cr2太小諧振阻抗太大,續(xù)流時間太長,將影響驅(qū)動信號,開關(guān)管的占空比將嚴重丟失,輸出功率降低。為兼顧二者,在實際中一般取1/48fc2Lr2Cr2≤0.1,所以

  Cr2≥5/24fc2Lr2(8)

  3.3 緩沖電容C1(C2,C3,C4)的設(shè)計

  當緩沖電容C1太大時,充放電時間常數(shù)較長,若充放電時間大于死區(qū)時間td,將產(chǎn)生橋臂直通現(xiàn)象。為確保此現(xiàn)象不發(fā)生,所以緩沖電容取值不能太大。

  由式(2)有

  

公式
≤td(9)

 

  當sinωt=1時iL2最小,式(9)的左邊最大,將式(1)代入(9)有

  C1≤td

公式
(10)

 

  4 實驗波形及結(jié)語

  依據(jù)上述分析和參數(shù)設(shè)計,以圖1為主電路進行了實驗。具體線路參數(shù)為:開關(guān)頻率f=12.5kHz,主功率管選用1MBH60D-100型號的IGBT,調(diào)制比α=0.8,緩沖電容C1=C2=C3=C4=18nF,Cr1=Cr2=16.7μF,Lr1=Lr2=80μH,Lf=1.0mH,Cf=18μF,RL=10Ω。圖5-圖8為實驗所得波形。

  

S1

 

  圖5 S1(S2)的驅(qū)動波形和管壓降波形

  

S3

 

  圖6 S3(S4)的驅(qū)動波形和管壓降波形

  

單極倍頻硬開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

 

  圖7 單極倍頻硬開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

  

單極倍頻軟開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

 

  圖8 單極倍頻軟開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

  圖5及圖6給出了主電路中開關(guān)管的管壓降和驅(qū)動信號的波形(圖中:1—驅(qū)動信號波形,2—開關(guān)管管壓降波形),圖7給出了硬開關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形,圖8給出了軟開關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形。

  由圖5及圖6可知在開關(guān)管的驅(qū)動信號到來之前,開關(guān)管兩端的壓降已為零,開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開通;驅(qū)動信號關(guān)斷后,開關(guān)管兩端的電壓還維持于零,開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。

  由圖7及圖8可知在未實現(xiàn)軟開關(guān)時,主電路的輸出電壓波形質(zhì)量較差,并且有較大的“毛刺”(開關(guān)管在進行開關(guān)動作時產(chǎn)生),這些“毛刺”的存在將對電路自身和周圍其它電路和用電器產(chǎn)生嚴重的電磁干擾();在加入軟開關(guān)電路后,輸出電壓波形質(zhì)量有了很大改善,并且無任何“毛刺”,較好地抑制了電磁干擾()。

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