濟南能華介紹單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節逆變器設計

作者：www.www.pcmenaggio.com   發(fā)布日期：2014-09-14 22:54   信息來(lái)源：http://www.www.pcmenaggio.com

單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節逆變器設計

單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節逆變器設計

O 引言
    傳統的逆變器雖然技術(shù)成熟可靠、應用廣泛,但存在體積大且笨重、音頻噪音大、系統動(dòng)態(tài)特性差等缺點(diǎn).用高頻變壓器替代傳統逆變器中的工頻變壓器,克服了傳統逆變器的缺點(diǎn),顯著(zhù)提高了逆變器的特性。
    單向電壓源高頻環(huán)節逆變器[1]具有單向功率流、三級功率變換(DC/HFAC/DC/LFAC).變換效率和可靠性不夠理想、但應用較廣泛等特點(diǎn);高頻脈沖直流環(huán)節逆變器[1]有效地解決了單向電壓源高頻環(huán)節逆變器的開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾問(wèn)題,具有優(yōu)良的綜合性能．適用于單向功率流逆變場(chǎng)合;高頻脈沖交流環(huán)節逆變器[2][3]具有雙向功率流、兩級功率變換(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)導致的電壓過(guò)沖現象等缺點(diǎn),通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來(lái)吸收存儲在 感中的能量．從而降低了變換效率或增添了電路的復雜性。因此.在不增加電路拓撲復雜性的前提下,如何解決高頻脈沖交流環(huán)節逆變器固有的電壓過(guò)沖現象和實(shí)現周波變換器的軟換流,是這類(lèi)逆變器的研究重點(diǎn)。
    借鑒高頻脈沖直流環(huán)節逆變器的思想,如果高頻脈沖交流環(huán)節逆變器的周波變換器換流,是在前級輸出的雙極性三態(tài)高頻脈沖交流電壓渡為零期間進(jìn)行,那么就可以實(shí)現周波變換器的ZVS換流.本文主要開(kāi)展這類(lèi)逆變器原理特性、關(guān)鍵電路參數準則與原理試驗研究,為正確設計這類(lèi)逆變器奠定了技術(shù)基礎。

l 電路拓撲與單極性移相控制原理
1.l 電路拓撲
    高頻脈沖交流環(huán)節逆變器．如圖l所示。這類(lèi)逆變器由高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器構成,具有電路拓撲簡(jiǎn)潔,兩級功率變換(DC/HFAC/LFAC),雙向功率流、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)圖1(a)全橋全波式電路功率開(kāi)關(guān)數少、電壓應力高、變壓器繞阻利用率低、適用于低壓輸出場(chǎng)合,圖l(b)全橋橋式電路的特點(diǎn)與全橋全波式電路正好相反。

1.2單極性移相控制原理

    以全橋全波式電路為例,其單極性移相控制原理,如圖2所示。

    逆變器將輸入電壓Uiymf 制成雙極性三態(tài)的電壓波uEF,周波變換器將此電壓波解調成單極性SPWM波,經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓u0。．周波變換器功率開(kāi)關(guān)在UEF為零期間進(jìn)行ZVS換流.逆變器右橋臂相對左橋臂存在移相角θ,而且輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波,故為單極性移相控制。Ugsl與Ugs4,Ugs2與ugs3之間在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內的共同導通時(shí)間為T(mén)com=Ts(180。-θ=/(2×180。) (1)

    當輸入電壓Ui降低或負載變大時(shí),導致輸出電壓Uo．降低,閉環(huán)反饋控制使得移相角θ減小、共同導通時(shí)間Tcom增大,從而使得輸出電壓增大。因此．調節移相角θ可實(shí)現輸出電壓的穩定。

2 穩態(tài)原理與外特性
2.1 穩態(tài)原理
    以輸出電uo>O、濾波電感電流iLf>0為例．穩態(tài)工作且輸出濾波電感電流連續時(shí)．一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的6個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)電路,如圖3(a)～(f)所示.圖3(a)、(b)、(d)、(e)和圖3(c)、(f)可分別用圖3(g)、(h)所示等效電路表示,其中r為包括變壓器繞阻電阻、漏抗、功率開(kāi)關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內的等效電阻.由于開(kāi)關(guān)頻率fs遠大于輸出濾波器截止頻率和輸出電壓的頻率,因此,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內輸出電壓uo可看成恒定量,可用狀態(tài)空間平均法建立輸出電壓、濾波電感電流的定量關(guān)系式.

 Fig.3  The switching state circuits and equivalent circuits

式中：D為濾波器前端電壓SPWM波在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的占空比,即D=2Tcom/Ts=（180°-θ）/180°。

2.2 穩態(tài)時(shí)逆變器外特性
2.2.l 理想情形(r=O)
    由式(7)可知,理想情形且CCM模式時(shí)逆變器的外特性為Uo=DUiN2/N1  (8)
濾波電感電流臨界連續和DCM模式時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的原理波形,如圖4所示.

Fig.4  The filter inductance current waveforms in critically CCM and DCM during one switching period

    
2.2.2 實(shí)際情形
    實(shí)際情形時(shí),逆變器的內阻r不為零,因此逆變器外特性可由式(7)表示。
    逆變器標么外特性曲線(xiàn),由式(12)決定;曲線(xiàn)A右邊為濾波電感電流連續時(shí)外特性曲線(xiàn)．實(shí)線(xiàn)為理想情形時(shí)曲線(xiàn),由式(8)決定．虛線(xiàn)為實(shí)際情形時(shí)曲線(xiàn)．由式(7)決定．可見(jiàn)隨負載增加,輸出電壓下降;曲線(xiàn)A左邊為濾波電感電流斷續時(shí)外特性曲線(xiàn)．由式(18)決定。

3  原理試驗

    設計實(shí)例：全橋橋式電路拓撲,單極性移相控制策略,輸入電壓Ui=DC270（1±10%）V,輸出電壓Uo=AC115V/400Hz,額定容量S=1kV·A,開(kāi)關(guān)頻率fs=50kHz,變壓器原、副邊匝比為N1/N2=25/20,變壓器磁芯選用Mn-Zn鐵氧體R2KBD材料PM62×49,濾波電感Lf=0.5mH,濾波電容Cr=2μF,功率開(kāi)關(guān)S1-S8b均選用IRFP460MOSFET（20A/500V）,控制電路采用兩片UC3879芯片。

    逆變器額定阻性負載時(shí)原理試驗波形,如圖6所示.原理試驗結果均表明：