基于單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)的逆變器

引言

傳統(tǒng)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(tǒng)動態(tài)特性差等缺點。用高頻變壓器替代傳統(tǒng)逆變器中的工頻變壓器，克服了傳統(tǒng)逆變器的缺點，顯著提高了逆變器的特性。

單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器具有單向功率流、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;高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器有效地解決了單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器的開關(guān)損耗和電磁干擾問題，具有優(yōu)良的綜合性能。適用于單向功率流逆變場合;高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器具有雙向功率流、兩級功率變換(DC/HFAC/LFAC)、變換效率和可靠性高等特點，但存在周波變換器器件換流時導致的電壓過沖現(xiàn)象等缺點，通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲在 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(jié)逆變器固有的電壓過沖現(xiàn)象和實現(xiàn)周波變換器的軟換流，是這類逆變器的研究重點。

借鑒高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器的思想，如果高頻脈沖交流環(huán)節(jié)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行，那么就可以實現(xiàn)周波變換器的ZVS換流。本文主要開展這類逆變器原理特性、關(guān)鍵電路參數(shù)準則與原理試驗研究，為正確設計這類逆變器奠定了技術(shù)基礎。

電路拓撲與單極性移相控制原理

1、電路拓撲

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器。如圖l所示。這類逆變器由高頻逆變器、高頻變壓器、周波變換器構(gòu)成，具有電路拓撲簡潔，兩級功率變換(DC/HFAC /LFAC)，雙向功率流、變換效率高等優(yōu)點圖1(a)全橋全波式電路功率開關(guān)數(shù)少、電壓應力高、變壓器繞阻利用率低、適用于低壓輸出場合，圖l(b)全橋橋式電路的特點與全橋全波式電路正好相反。

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(diào)成單極性SPWM波，經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓u0。。周波變換器功率開關(guān)在UEF為零期間進行 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之間在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)的共同導通時間為　　

Tcom=Ts(180。 -θ=/(2×180。) (1)

當輸入電壓Ui降低或負載變大時，導致輸出電壓Uo。降低，閉環(huán)反饋控制使得移相角θ減小、共同導通時間Tcom增大，從而使得輸出電壓增大。因此。調(diào)節(jié)移相角θ可實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)原理與外特性

1、穩(wěn)態(tài)原理

以輸出電uo>O、濾波電感電流iLf>0為例。穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流連續(xù)時。一個開關(guān)周期內(nèi)的6個開關(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、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻。由于開關(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，在一個開關(guān)周期內(nèi)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。