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(kuò)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(qiáng)、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(xiàn)[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(jìn)一步簡化高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路拓?fù)?，再次提出了高頻脈沖直流電壓波占空比擴(kuò)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(kuò)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(jī)試驗結(jié) 果。

(a)  并 聯(lián) 交 錯 有 源 箝 位 正 激 式

(b)  占 空 比 擴(kuò) 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(kuò)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(kuò)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)?，如圖1（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(kuò)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(jìn)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(kuò)展。高頻脈沖直流電壓udo占空比擴(kuò)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(kuò)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(kuò) 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 

(c) 控 制 系 統(tǒng) 框 圖

圖 3  DC/AC逆 變 橋 三 態(tài) 離 散 脈 沖 電 流 控 制 原 理

    uAB= (1)

式中:δ——半個滯環(huán)寬度；

     udom——高頻脈沖直流電壓幅值。

4  關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則

4．1  箝位電容Cc

    箝位電容Cc應(yīng)滿足

    Cc≥(1－D)2Ts2/(8LmΔUc/Uc)   （2）

    通常取ΔUc/Uc≤10％，按最壞情況D=Dmin來設(shè)計。

4．2  功率開關(guān)S、箝位開關(guān)Sc、吸收支路開關(guān)Sr三個驅(qū)動信號延遲時間

    延遲時間t1、t2過大，影響了有效占空比；延遲時間過小，滿足不了要求。Sc關(guān)斷與S開通的時間間隔應(yīng)不小于變壓器磁化電感Lm與功率開關(guān)輸出電容Cs間諧振周期的四分之一，即

    ?t2≥2π/4   （3）

S關(guān)斷與Sc開通的時間間隔t1應(yīng)滿足

   2π/4<t1<(1－D)Ts/2    （4）

式（3）、式（4）按最壞情況（Ui=Uimin、D=Dmax、Uc=Ucmax）來調(diào)節(jié)參數(shù)。Sr關(guān)斷相對于S關(guān)斷的延遲時間t4為

    t4=ΔDTsDTs    （5）

式中：ΔD——高頻脈沖直流電壓擴(kuò)展的占空比。

4．3  功率開關(guān)S實現(xiàn)ZVS的條件

      功率開關(guān)S能否實現(xiàn)ZVS，取決于變壓器磁化電流峰值與折算到變壓器原邊的負(fù)載電流的差值。功率開關(guān)S實現(xiàn)ZVS的條件為

      (1/2)Lm（ILm－iLf·N2/N1）2≥(1/2)CsUi2    （6）

式中：ILm——變壓器磁化電流峰值。

4．4  高頻脈沖直流電壓波平均值Udo,avg選取

    為了確保輸出電壓THD小，應(yīng)滿足

    UO?≤Udo,avg   （7）

    Udo,avg=(N2/N1)Ui(D＋ΔD)   （8）

由式（8）可知，相同的Udo,avg值，總占空比(D＋ΔD)越大，則高頻脈沖直流電壓幅值將越小。因此，高頻脈沖直流電壓波占空比擴(kuò)展，一方面降低了DC/AC逆變橋功率開關(guān)的電壓應(yīng)力；另一方面簡化了前級高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路。此外，為了保證DC/AC逆變橋功率器件可靠實現(xiàn)ZVS，需要一定的零電平時間t0，則最大占空比應(yīng)滿足

    (D＋ΔD)max≤1－t0fs  （9）

式中：fs——開關(guān)頻率。

4．5  開關(guān)頻率fs

    fs/fo越高（fo為輸出電壓正弦波的頻率），高頻變壓器，輸入與輸出濾波器將越小。但fs受式（9）限制，若fs過高，則最大占空比變小，高頻脈沖直流電壓波幅值UiN2/N1將增大。故fs應(yīng)折衷考慮。這里開關(guān)頻率fs選取80kHz。

4．6  輸出LC濾波器

    濾波電感Lf的合適取值范圍為

    <（

<Lf<    (10)

式中：Igm,max——給定電流幅值；

            ωo——輸出電壓角頻率；

      輸出濾波電容Cf用來濾除輸出電壓uo中的高次諧波，若Cf越大，輸出電壓uo的THD就越小，但DC/AC逆變器無功電流分量增大，從而增大了變流器的體積和成本。一般選取ICf≤0.5Iomax為宜，因此濾波電容Cf值應(yīng)滿足：

    Cf≤0.5Iomax/ωoUO   （11）

式中：Iomax——輸出電流最大值。

4.7    滯環(huán)寬度δ的選擇

      一般來說環(huán)寬過小，電路不能有效地選擇零狀態(tài)，電路工作于雙極性模式，輸出電壓THD增大，開關(guān)頻率升高，損耗增加，且每個開關(guān)周期都有能量回饋，吸收電容兩端電壓脈動變大。若環(huán)寬過大，輸出濾波電感上的電流偏差過大，輸出電壓的THD也會增大，且電路的動態(tài)調(diào)節(jié)速度變慢，影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性。通常選取滯環(huán)寬度為

    δ=(0.2～0.4)(Udo,avg/Lf）Ts   （12）

4．8   吸收支路電容Cr

    空載時DC/AC逆變器一個輸出周期內(nèi)就有半個周期能量回饋，其濾波電感電流iLf、濾波電容電壓uCf、吸收支路電容電壓uCr波形，如圖4所示。根據(jù)能量守恒原理，則有

(a)濾波電感電流與濾波電容電壓  (b)吸收支路電容電壓

圖4  空載時濾波電感電流、濾波電容電壓、吸收支路電容電壓波形

    (1/2)Cr[(ΔUCr＋UCrmin)2－U2Crmin]=

    (1/2)CfU2Cfmax－(1/2)LfiLfmax    （13）

式中：UCrmin=UiN2/N1。

    高頻脈沖直流電壓波占空比擴(kuò)展期間，吸收支路電容Cr對DC/AC逆變橋供電引起的最大電壓降落為

        ΔUCr=（ILfmax·ΔD·Ts）/Cr    （14）

式中：ILfmax——最大輸出濾波電感電流，通常要求ΔUCr≤5％UCrmin。

5  試驗結(jié)果

    設(shè)計實例：輸入電壓Ui=18～32VDC，額定容量750VA，輸出電壓115V，輸出電壓頻率400Hz，開關(guān)頻率fs=80kHz，占空比D=0.34～0.6，擴(kuò)展的占空比ΔD=0.3；變壓器鐵心選用鐵氧體材料R2KBDPM62×49，變壓器原、副邊匝比N1/N2=2/24，磁化電感Lm=48μH。

    設(shè)計并研制成功的逆變電源，獲得了優(yōu)良的綜合性能：輸出電壓（115±2）V，輸出電壓頻率（400±0.2）Hz，輸出電壓直流分量小于0.1V，輸出電壓波形的THD<0.5％；負(fù)載功率因數(shù)－0.75～0.75，額定負(fù)載時變換效率大于85.5％；110％額定負(fù)載120min，150％額定負(fù)載5min；短路時間5s，短路電流21A，短路故障排除后有自恢復(fù)能力；重量小于4kg；體積265mm×159mm×130mm。

    樣機(jī)試驗波形，如圖5所示。試驗結(jié)果表明：高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電壓實現(xiàn)了占空比的擴(kuò)展，如圖5（a）所示。逆變橋輸出濾波電感電流iLf在給定電流ig的滯環(huán)寬度內(nèi)變化，如圖5（b）所示。負(fù)載兩端得到的低THD輸出正弦波uo，如圖5（c）所示。

(a)  udo波形占空比的擴(kuò)展 
 

(b)  輸出濾波電感電流iLf波形 

(c)  輸出電壓uo波形

圖5  樣機(jī)試驗波形

6  結(jié)論

    1）首次提出高頻脈沖直流電壓擴(kuò)展的新思路，為提高整機(jī)綜合性能奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

    2）該逆變電源具有優(yōu)良的綜合性能，處于國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)水平，已獲國防科技成果二等獎,可以實行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

    3）該技術(shù)成果可用來研制數(shù)十VA至10kVA單相或三相27VDC(270VDC)/115V400HzAC(220V50HzAC)逆變電源,非常適用于并聯(lián)場合。