此文獲得由本刊承辦的“華為電氣杯”論文大獎賽一等獎（只有一名），它代表了我國當前電源領域的學術水平，經作者同意作為本期首篇文章介紹給讀者。

全橋電流源高頻鏈逆變器

Full－bridgeCurrentModeHigh－frequencyLinkInverter

摘要：全橋電流源高頻鏈逆變器基于Flyback變換器，由全橋高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器三部分組成。其高頻變壓器不僅能實現電隔離和電壓增益的調整功能，而且還能存儲能量。該逆變器解決了電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過沖問題，降低了周波變換器的開關損耗，簡化了高頻變壓器的結構，減低了逆變器的開關電壓應力。本文介紹了其拓撲結構、工作原理、控制方案和簡要的設計。仿真結果和樣機的實驗結果證明該逆變器具有下述優點：緊湊的拓撲結構、簡單的控制方案和高頻變壓器結構、良好的動態響應、帶非線性負載能力和低開關電壓應力。

關鍵詞：高頻鏈逆變器拓撲仿真

1引論

　　近來，高頻鏈逆變技術引起了人們越來越濃的研究興趣。高頻鏈逆變技術用高頻變壓器來代替傳統逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。

???在本文中，根據高頻變壓器的功能將現有的高頻鏈逆變器分成兩類：電壓源和電流源。區別于電壓源高頻鏈逆變器，電流源高頻鏈逆變器中的高頻變壓器不僅能實現電隔離和電壓增益的調整，而且有存儲能量的功能。

???電流源高頻鏈逆變器基于Flyback變換器的拓撲結構[4－6，也是由高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器三部分組成。其高頻變壓器不僅能實現電隔離和電壓增益調整功能，而且能存儲能量。故可以省去輸出濾波電感，并解決了電壓源高頻鏈逆變器的電壓過沖問題。因此，電流源高頻鏈逆變器具有緊湊的拓撲結構、簡單的控制方案和良好的動態性能。然而，文獻[4]提出的逆變器拓撲結構中，變壓器的結構復雜，需要兩個副邊繞組，而每個副邊繞組只工作半個工頻周期，繞組的利用率低。另外，電流源高頻鏈逆變器工作于電流斷續模式，導致較高的電流、電壓應力和通態損耗。

2主電路描述

2．1工作原理

圖4所示為全橋電流源高頻鏈逆變器的電路波形示意圖，其中負載為感性負載（功率因數為cosφ）,逆變器工作于電流斷續模式。該逆變器基于Flyback變換器拓撲結構。其高頻變壓器不僅能實現電隔離和電壓益調整功能，而且能存儲能量。周波變換器中的開關S5、S6通常工作在工頻，只有當負載向電源回饋能量時才工作于高頻。但在電壓源高頻鏈逆變器中的開關器件始終工作于高頻。因此該方案可以解決電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過沖問題，并降低了周波變換器的開關損耗。其高頻變壓器只有一個副邊繞組，結構比文獻[4]中的簡單，提高了繞組的利用率。

該逆變器具有四象限工作能力，在每個象限均為一個Flyback變換器。當輸出電壓和電流同向時，逆變器工作在第Ⅰ和Ⅲ象限，相應的電路拓撲結構如圖5（a）和(c)所示，逆變器功率流向為從輸入到輸出。當輸出電壓和電流異向時，逆變器工作在第Ⅱ和第Ⅳ象限,相應的電路拓撲結構如圖5(b)和(d)所示,負載向電源回饋能量。因此，電流源高頻鏈逆變器能雙向傳輸功率，能適用于許多應用場合。

2．2控制方案

逆變器的控制方案采用瞬時值電壓反饋控制方案。圖6所示為控制電路的框圖，其中Usy為基準電壓的同步方波，Ue為誤差電壓，UF為輸出電壓U0的反饋電壓。

如上所述，每一個工作模式的電路拓撲結構都為工作于電流斷續模式下的Flyback變換器。因此，該逆變器屬于單極點系統，就很容易設計串聯反饋補償器[5]。

2．3簡要設計

　　假設：

（1）電路處于穩態；

（2）fs?f0,其中fs為逆變器開關頻率,f0為輸出電壓頻率;

（3）高頻變壓器工作于線性區;（4）輸出電壓u0=U0sinωt,輸出電流i0=I0sin(ωt－?)；

（5）電感性負載,功率因數為cosφ。

根據能量守恒定律，當輸出電壓u0和輸出電流I0同向時，有下式成立：

ηEin=Eout(1)

其中Ein和Eout分別為一個周期內逆變器的輸入和輸出能量，η為逆變器的效率。

輸入能量Ein

其中D為開關S1，3的占空比，Ts為開關周期。

根據以上假設，在一個開關周期內，輸出電壓和電流可視為不變。于是，輸出能量Eou為：

其中P0為逆變器的輸出功率。于是式（1）可寫為：

η(DTsUin)2/2L1=2TsP0sinωtsin(ωt－?)(4)

所以，開關S1，3的占空比函數

同理可得，其它開關的占空比變化函數。

因此，開關S1，3的最大占容比Dmax

假設輸入電壓Uin=48V,開關周期Ts=20μs,輸出功率P0=400W,Dmax=0.5,逆變器效率η=85％,那么高頻變壓器的原邊電感L1為:

L1=ηTsD2maxU2in/4P0=6.1μH(7)

3仿真和實驗結果

圖7所示為該逆變器的計算機仿真結果。它證實了上述對逆變器的分析結果。PSPICE仿真程序參見附錄。

實驗樣機的技術參數如下：

?輸入電壓：48V；

?輸入電壓：220V/50Hz；

?輸出功率：400W；

?開關頻率：50kHz

實驗樣機采用的器件參數：

?高頻變壓器：

磁心：TDKPC30

原邊：3匝，?w=1mm銅線四股并繞

副邊:21匝,?w=0.5mm銅線雙股并繞

?S1－4:IRF150,D1－4:FED30JP

S5－6:IXGH25N100A,D5,6:U8100

?C0:4.2μf/220VAC

20V/div,時間：5ms/div

u0:200V/div，i0:1A/div,時間：5ms/div

u0:200V/div,i0;2A/div,時間：5ms/div

u0:200V/div,i0;2A/div,時間：5ms/div

4結論

　　本文介紹了全橋電流源高頻鏈逆變器的工作原理、控制方案、設計、仿真和樣機實驗結果。仿真和實驗結果表明該逆變器具有下述優點：緊湊的拓撲結構、雙向功率傳輸、簡單控制方案、良好的動態響應和非線性負載能力。與文獻[4]的方案相比，其高頻變壓器結構更簡單，開關器件的電壓應力更低。

然而，由于電流源高頻鏈逆變器工作于電流斷續模式，將導致較高的開關電流應力和通態損耗。另外，由于全部變換能量必須存儲在磁心中，故逆變器的輸出功率將受到磁心的限制。因此，單臺電流源高頻鏈逆變器不適用于大功率場合。

綜上所述，在小功率場合電流源高頻鏈逆變器的性能要優于電壓源高頻鏈逆變器，而在大功率場合可以考慮采用多機并聯技術進行擴容，以克服其不足之處。