高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器研究

摘要：文章提出了高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路拓?fù)洌瑢?duì)這種電路拓?fù)浼捌淇刂圃碜髁嗽敿?xì)的理論分析，并對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種電路拓?fù)涞目尚行浴ｊP(guān)鍵詞：靜止變流器高頻脈沖直流環(huán)節(jié)有源箝位一體化軟開(kāi)關(guān)技術(shù)三態(tài)離散脈沖調(diào)制

Research on Static Inverter with High Frequency Pulse DC Link

Abstract:A new combined soft－ switching technique and a novel topology of static inverter with high frequency pulse dc link are proposed in this paper,namely an electrical isolated converter can realize soft－ switching of two－ stage cascade converters.It lays the technical foundation on high power density,high efficiency and low cost static inverter.The operation and design approach of this topology are carefully analyzed and studied in this paper.The validity of this topology is verified by the test.

Keywords:Static inverter High frequency pulse DC link Active clamp circuit Combined soft－switching technique Three state discrete pulse modulation

1引言

　　靜止變流器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將主電源直流電變換成恒壓恒頻交流電的電氣裝置。對(duì)于交流用電負(fù)載與主直流電源共地的場(chǎng)合，靜止變流器輸出與輸入之間必須有變壓器電氣隔離。本文提出了新穎的高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種電路結(jié)構(gòu)，由具有高頻電氣隔離、吸收交流側(cè)回饋無(wú)功能量和輸出高頻脈沖波等多功能一體化軟開(kāi)關(guān)PWMDC/DC變換器MISSC與DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積重量小、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。MISSC變換器不但實(shí)現(xiàn)了DC/DC變換器的軟開(kāi)關(guān)，而且還為DC/AC逆變器實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)創(chuàng)造了條件。

2電路拓?fù)?/P>

　　圖1所示靜止變流器電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新之處在于，提出了多功能一體化PWMDC/DC變換器新概念。多功能一體化PWMDC/DC變換器族主要有三個(gè)功能：①輸入輸出電氣隔離；②吸收DC/AC逆變器交流側(cè)回饋的無(wú)功能量；③輸出符合DC/AC逆變器要求的高頻脈沖電壓波udo，為逆變橋功率開(kāi)關(guān)在udo過(guò)零時(shí)切換實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)創(chuàng)造了條件。

圖1新穎的高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路結(jié)構(gòu)

基于這一思想，在傳統(tǒng)的電氣隔離DC/DC變換器族中去除輸出LC濾波器，輸出端再加上逆變器交流側(cè)回饋無(wú)功能量吸收電路（由有源開(kāi)關(guān)Sr和儲(chǔ)能電容Cr串聯(lián)構(gòu)成），便可獲得多功能一體化PWMDC/DC變換器。

考慮到輸入電壓Ui為低壓（27V或48V）且變化范圍寬，選定并聯(lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器作為前置級(jí)，其輸出高頻脈沖電壓波的占空比2D>0.5，輸入輸出波形頻率為開(kāi)關(guān)頻率的二倍，同時(shí)又具備正激Forward變換器的優(yōu)點(diǎn)。圖2示出了這一新穎的電路拓?fù)洹?/P>

（a）原理圖(b)波形圖圖3電流瞬時(shí)值反饋DC/AC逆變器控制原理

圖4三態(tài)DPM電流滯環(huán)跟蹤控制原理

圖2高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路拓?fù)?/P>

圖2所示電路，Sc與Cc串聯(lián)接在高頻變壓器原邊繞組兩端，構(gòu)成正激變換器的有源箝位支路，為變壓器在功率開(kāi)關(guān)S關(guān)斷后提供磁復(fù)位路徑，實(shí)現(xiàn)了功率開(kāi)關(guān)的電壓箝位和變壓器的雙向磁化，功率開(kāi)關(guān)S、箝位開(kāi)關(guān)Sc實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)關(guān)。當(dāng)MISSC變換器輸出相同的高頻脈沖電壓波平均值

　　Udo.arg=N22DUi/N1(1)

時(shí)，占空比D增大，高頻脈沖電壓波幅值Ui·N2/N1便降低，從而降低了逆變橋四個(gè)功率開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4的電壓應(yīng)力。這正是選用并聯(lián)交錯(cuò)正激式多功能一體化PWMDC/DC變換器（占空比2D=0.5～0.9）作為前置級(jí)的根本原因。

3控制原理

3.1MISSC變換器控制原理

　　新穎的靜止變流器電路拓?fù)洌刹⒙?lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，各自構(gòu)成閉環(huán)回路。這種電路拓?fù)淅^承了諧振直流環(huán)節(jié)逆變器RDCLI的思想。前級(jí)電路拓樸較復(fù)雜，且不存在輸出濾波器，不是完整的軟開(kāi)關(guān)PWMDC/DC變換器，為后級(jí)提供平均值恒定的高頻脈沖電壓波，只能采用電壓型PWM控制技術(shù)（因?yàn)槠涮峁┑妮敵鲭娏鞔笮∈前凑誅C/AC逆變器所需的正弦規(guī)律分布的）；后級(jí)電路拓樸簡(jiǎn)潔，逆變橋功率器件可實(shí)現(xiàn)完全的ZVS開(kāi)關(guān)。

3.2DC/AC逆變器控制原理

　　DC/AC逆變器采用電流瞬時(shí)值反饋技術(shù)的脈寬調(diào)制方案，如圖3所示。快速電流檢測(cè)元件將檢測(cè)到的濾波電感電流信號(hào)if送到滯環(huán)比較器同相輸入端，給定信號(hào)ig加在其反相輸入端。滯環(huán)比較器輸出通過(guò)邏輯延時(shí)、分相和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)控制逆變橋功率開(kāi)關(guān)。

　　為了減小濾波電感電流iLf脈動(dòng)量，改善輸出電壓波形，應(yīng)該采用單極性調(diào)制而不用雙極性調(diào)制。本文研究的靜止變流器，DC/AC逆變橋采用三態(tài)離散脈沖調(diào)制DPM電流滯環(huán)跟蹤控制（Threestatesdiscretepulsemodulationhysteresiscurrentcontrol）的單極性調(diào)制瞬時(shí)值反饋技術(shù)，其控制原理如圖4所示。

(a)原理圖?? (b)波形圖
圖3

圖4

　　在逆變橋輸入電壓udo=0時(shí)，檢測(cè)濾波電感電流iLf做為反饋電流if與給定電流ig相比較，根據(jù)二個(gè)電流瞬時(shí)值之差來(lái)決定，單相逆變橋四個(gè)功率開(kāi)關(guān)在下一個(gè)高頻脈沖電壓波udo的導(dǎo)通情況，其控制規(guī)律為引入零狀態(tài)續(xù)流模式后，不但可以使電流跟蹤偏差減小，而且使逆變橋輸出電壓uAB波形中的＋1、－1、狀態(tài)間的跳變大為減小，甚至消除，從而使輸出脈動(dòng)減小。這也是單極性調(diào)制比雙極性調(diào)制優(yōu)越的主要原因。合理設(shè)計(jì)輸出濾波器參數(shù)和滯環(huán)寬度，可以實(shí)現(xiàn)逆變橋的單極性工作。如果在電流外環(huán)設(shè)置電壓閉環(huán)，則可獲得良好的輸出電壓、電流控制特性。

4幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論

(1)高頻脈沖輸出電壓波平均值udo，avg選取

　　DC/AC逆變器DPM控制時(shí)，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)一定的給定要求將逆變橋輸入的高頻脈沖電壓波udo組合成所需的低頻調(diào)制電壓波uAB，輸出濾波器只是用來(lái)濾除組合低頻調(diào)制電壓uAB中的高次諧波，不產(chǎn)生能量，只能暫存一定能量。在組合低頻調(diào)制電壓uAB中，輸出電壓低處脈沖稀疏、輸出電壓峰值處脈沖密集，如圖5所示。脈沖最密集處就是逆變橋輸入

圖5DPM脈沖組合波形

的高頻脈沖全部選送到輸出端，如圖5中t1～t2期間。t1～t2期間，為了確保輸出電壓THD小，應(yīng)滿(mǎn)足

　　Uom≤UAB，arg=Udo,arg

=Ui2DN2/N1(3)

式（2－3）可作為Udo,avg的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)高頻脈沖輸出電壓波占空比2D的選取

相同Udo，avg時(shí)，若占空比2D過(guò)小，將導(dǎo)致調(diào)制電壓波形UAB稀疏且幅值大，濾波電感電流處于二極管續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)，加大了作為續(xù)流二級(jí)管用的功率MOSFET體內(nèi)寄生二級(jí)管的電流定額。同時(shí)DC/AC逆變橋應(yīng)采用耐壓更大的功率MOSFET器件，從而有更高的導(dǎo)通電阻和穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通損耗。因此，應(yīng)盡可能增大高頻脈沖輸出電壓波占空比2D。但最大占空比2Dmax受到高頻脈沖波頻率2fs的限制。若2fs、2D均很大，則高頻脈沖電壓波的零電壓時(shí)間短暫。過(guò)零檢測(cè)信號(hào)發(fā)出的開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，存在波形傳輸延時(shí)時(shí)間和功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可能導(dǎo)致DC/AC逆變橋功率器件在udo非零電壓期間發(fā)生開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，未能實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)。為了保證功率器件可靠實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)，需要一定時(shí)間t0，則最大占空比應(yīng)滿(mǎn)足

2Dmax≤1－t02fs(4)

(3)高頻脈沖輸出電壓波udo過(guò)零檢測(cè)與控制

　　高頻脈沖輸出電壓波udo過(guò)零檢測(cè)與控制，是DC/AC逆變橋功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS的關(guān)鍵所在。由于udo與MISSC變換器二個(gè)功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，因此只要將二個(gè)功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)uGS1、uGS2“或”在一起，經(jīng)反相并由脈沖前沿延時(shí)電路延時(shí)、整形，便得到了過(guò)零檢測(cè)信號(hào)uP，各信號(hào)相位關(guān)系如圖6所示。只要延遲時(shí)間τ合理，即可保證DC/AC逆變橋功率器件在udo=0期間開(kāi)關(guān)。由此可見(jiàn)，利用udo與功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以適當(dāng)變換，并考慮驅(qū)動(dòng)電路傳輸延遲時(shí)間，獲得過(guò)零信號(hào)，是一種簡(jiǎn)潔實(shí)用的方法。

圖6幾個(gè)信號(hào)之間的相位關(guān)系

5試驗(yàn)結(jié)果

　　1kVA高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器占空比2D=0.75時(shí)，原理試驗(yàn)波形如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在DC/AC逆變橋交流側(cè)沒(méi)有無(wú)功能量回饋期間，前置級(jí)MISSC變換器輸出的高頻脈沖電壓波udo周期性回零，如圖7（a）所示；在DC/AC逆變橋交流側(cè)有無(wú)功能量回饋期間，高頻脈沖電壓波udo出現(xiàn)不回零現(xiàn)象，如圖7（b）所示；DC/AC逆變橋調(diào)制電壓波形uAB滿(mǎn)足脈沖極性連貫性原則，如圖7（c）所示；DC/AC逆變橋?yàn)V波電感電流iLf在給定電流信號(hào)ig的滯環(huán)寬度內(nèi)變化，如圖7（d）所示；負(fù)載兩端得到的低THD輸出正弦波uO，如圖7（e）所示。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種電路拓?fù)涞目尚行浴?/P>

6結(jié)論

（a）DC/AC逆變橋沒(méi)有無(wú)功能量回饋時(shí)高頻脈沖電壓波udo

（b）DC/AC逆變橋有無(wú)功能量回饋時(shí)高頻脈沖電壓波udo

(c)DC/AC逆變橋調(diào)制電壓波形uAB

(d)DC/AC逆變橋?yàn)V波電感電流iLf

(e)DC/AC逆變器輸出電壓波形uO圖7高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器原理試驗(yàn)波形
圖7 高頻直流肪沖環(huán)節(jié)靜止變流器原理試驗(yàn)波形

　　通過(guò)本文分析研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)多功能一體化PWMDC/DC變換器族新概念，是這種電路拓?fù)涞膭?chuàng)新所在；

(2)高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路拓?fù)洌刹⒙?lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，各自構(gòu)成閉環(huán)回路，前者采用電壓型PWM控制技術(shù)，后者采用三態(tài)DPM電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)；

(3)為了保證DC/AC逆變橋功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS，且輸出低THD的正弦波，高頻脈沖輸出電壓波udo的平均值和最大占空比應(yīng)合理設(shè)計(jì)；

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種新穎的靜止變流器電路拓樸是可行的。