一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC逆變器的設(shè)計(jì)
1 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/264222.htm目前,PWM功率變換技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下的PWM逆變器,由于其開關(guān)損耗大,并且產(chǎn)生嚴(yán)重EMI,難以滿足開關(guān)電源高頻化、綠色化的要求。為克服硬開關(guān)的不足,軟開關(guān)技術(shù)得到迅速的發(fā)展,特別是DC/DC變換器移相軟開關(guān)技術(shù)已趨于成熟。但對(duì)于DC/AC變換器,由于考慮其輸出波形質(zhì)量等因素,目前,還沒有真正意義上的軟開關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)過(guò)一些DC/AC變換器拓?fù)浜蛙涢_關(guān)控制技術(shù)[1][2][3],但這些方法還不能真正走向?qū)嵱谩?/p>
文獻(xiàn)[4]介紹了用諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),是一種比較好的方法,然而這一技術(shù)需要跟蹤電路中的電壓和電流,在電壓和電流過(guò)零處實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),這必然使電路變得復(fù)雜。為較好地解決這一難題,文獻(xiàn)[5]介紹了利用電感換流的非諧振軟開關(guān)PWM技術(shù),然而這一技術(shù)只適用于雙極性電壓控制的DC/AC變換器電路。在分析文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)出了一種適用單極倍頻SPWM[6]軟開關(guān)DC/AC變換器電路。
2 單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器主電路
2.1 主電路結(jié)構(gòu)
圖1所示為新型單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC逆變器主電路原理圖。圖2為其主要工作波形。該電路在硬開關(guān)SPWMDC/AC逆變器的基礎(chǔ)上添加了電容C1,C2,C3,C4,Cr1,Cr2,CE1,CE2電感Lr1,Lr2,其中電容C1=C2=C3=C4,Cr1=Cr2,電感Lr1=Lr2,大容量電解電容CE1=CE2視為恒壓源。這些元件為電路中的4只功率管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)創(chuàng)造了條件。
圖1 主電路結(jié)構(gòu)
圖2 主電路主要工作波形
2.2 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理
以下公式中的電壓、電流方向以圖1中的參考方向?yàn)闇?zhǔn)。并假設(shè)負(fù)載電流io連續(xù)。
1)工作模式1(t0-t1時(shí)間段)
在這一時(shí)間段中S1及S3導(dǎo)通,S2及S4關(guān)閉,iLr1從電源ED的正極經(jīng)過(guò)S1,Cr1,Lr1,CE2,到ED的負(fù)極并逐漸增大;同時(shí)電容CE1經(jīng)過(guò)S3,Cr2,Lr2繼續(xù)放電,放電電流iLr2繼續(xù)上升,在t1時(shí)刻iLr2達(dá)到最大,即
iLr2(ωt1)=αIomsinωt1-
式中:α為調(diào)制比;Iom為負(fù)載電流最大值,Iom=ED/RL;ω=2πfc,fc為載波頻率。
對(duì)應(yīng)的等效電路拓?fù)湟妶D3(a)。
2)工作模式2(t1-t2時(shí)間段)
在此時(shí)間段,功率管S1繼續(xù)導(dǎo)通,iLr1繼續(xù)增大。t1時(shí)刻S3關(guān)斷,集電極電流i3從開關(guān)管S3轉(zhuǎn)換到緩沖電容C3,為C3充電,C3上的電壓從零開始上升,S3實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷;同時(shí),存儲(chǔ)在C4上的能量通過(guò)Cr2,Lr2,CE2回路放電,其等效電路拓?fù)淙鐖D3(b)。從圖可看出,C3充電回路與C4放電回路參數(shù)相同。因此,在t=t2時(shí)刻,vC3=ED,vC4=0。充放電時(shí)間t21為
t21=t2-t1=
3)工作模式3(t2-t3時(shí)間段)
在t=t2時(shí)刻D4導(dǎo)通,為循環(huán)電流iL2的續(xù)流提供通路,vC4被箝位于零,即vC4=0。若在iL2=0之前,S4的觸發(fā)信號(hào)到來(lái),S4實(shí)現(xiàn)零電壓開通。其等效拓?fù)淙鐖D3(c)所示。
4)工作模式4(t3-t4時(shí)間段)
在t3時(shí)刻S4零電壓開通。循環(huán)電流iL2繼續(xù)通過(guò)D4續(xù)流,在t4時(shí)刻續(xù)流完畢。續(xù)流時(shí)間t41為
t41=t4-t1=-
其等效電路拓?fù)淙鐖D3(d)。
5)工作模式5(t4-t5時(shí)間段)
t4時(shí)刻后,S4的集電極電流從零開始上升。電源ED為負(fù)載提供能量。其等效電路拓?fù)淙鐖D3(d)。
(a) t0-t1
(b) t1-t2
(c) t2-t3
(d) t3-t4
圖3 各種模式下的等效電路拓?fù)?/p>
在t5時(shí)刻,S1關(guān)斷,緩沖電容C1的存在,S1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。t5時(shí)刻之后,電路進(jìn)入開關(guān)周期的下半周期,其工作模式同上。
2.3 電路特性討論
1)主電路中不需要任何電壓/電流檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管軟開通。
2)由于開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),所以逆變器的輸出電壓波形不會(huì)因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間td的存在而發(fā)生畸變。
3)不會(huì)因?yàn)橥粯虮鄣膬蓚€(gè)二極管的反向恢復(fù)電流而導(dǎo)致橋臂直通。
4)控制電路采用單極倍頻電壓控制信號(hào),主電路在一個(gè)周期中各個(gè)時(shí)間段過(guò)渡時(shí),僅有一個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生改變,這就降低了在產(chǎn)生一定的脈波數(shù)時(shí)開關(guān)的動(dòng)作次數(shù),或者說(shuō)用同樣的開關(guān)頻率可以把輸出電壓中脈波數(shù)提高一倍,這對(duì)減小開關(guān)損耗,提高逆變器的工作效率都是有好處的。
5)在主電路的SPWM輸出電壓波形中,正向只有正電壓脈沖,負(fù)向只有負(fù)電壓脈沖,這對(duì)減小輸出濾波參數(shù),提高輸出波形質(zhì)量是有好處的。
由于單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器的超前橋臂控制信號(hào)與滯后橋臂的控制信號(hào)相差180°,所以超前臂的開關(guān)動(dòng)作與滯后臂相對(duì)獨(dú)立。這為各橋臂上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差120°的,三相逆變器電感換流調(diào)頻軟開關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究,打下了較好的基礎(chǔ)。
3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)
3.1 電感Lr1(Lr2)的設(shè)計(jì)
由2.3的分析知
將式(1)代入式(4)并整理有
Lr2≤(1-α)(1+α-4fctd)
3.2 電容Cr1(Cr2)的設(shè)計(jì)
由2.2的工作過(guò)程分析可知,在緩沖電容C3及C4充放電時(shí)間很短的情況下,圖1等效拓?fù)淙鐖D4所示。
圖4 等效電路拓?fù)?/p>
根據(jù)等效拓?fù)?,有?6)成立
di3/dt=(ED-vCr2)/Lr2;dvCr2/dt=iLr2/Cr2(6)
進(jìn)一步得到i3的最大值為
i3max=ED/4fcLr2(1+1/48fc2Lr2Cr2)(7)
由式(7)可知,為了盡可能最大限度向負(fù)載傳輸能量,集電極電流i3應(yīng)盡可能大,所以,Cr2越小越好。然而Cr2太小諧振阻抗太大,續(xù)流時(shí)間太長(zhǎng),將影響驅(qū)動(dòng)信號(hào),開關(guān)管的占空比將嚴(yán)重丟失,輸出功率降低。為兼顧二者,在實(shí)際中一般取1/48fc2Lr2Cr2≤0.1,所以
Cr2≥5/24fc2Lr2(8)
3.3 緩沖電容C1(C2,C3,C4)的設(shè)計(jì)
當(dāng)緩沖電容C1太大時(shí),充放電時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng),若充放電時(shí)間大于死區(qū)時(shí)間td,將產(chǎn)生橋臂直通現(xiàn)象。為確保此現(xiàn)象不發(fā)生,所以緩沖電容取值不能太大。
由式(2)有
當(dāng)sinωt=1時(shí)iL2最小,式(9)的左邊最大,將式(1)代入(9)有
C1≤td
4 實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)語(yǔ)
依據(jù)上述分析和參數(shù)設(shè)計(jì),以圖1為主電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。具體線路參數(shù)為:開關(guān)頻率f=12.5kHz,主功率管選用1MBH60D-100型號(hào)的IGBT,調(diào)制比α=0.8,緩沖電容C1=C2=C3=C4=18nF,Cr1=Cr2=16.7μF,Lr1=Lr2=80μH,Lf=1.0mH,Cf=18μF,RL=10Ω。圖5-圖8為實(shí)驗(yàn)所得波形。
圖5 S1(S2)的驅(qū)動(dòng)波形和管壓降波形
圖6 S3(S4)的驅(qū)動(dòng)波形和管壓降波形
圖7 單極倍頻硬開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形
圖8 單極倍頻軟開關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形
圖5及圖6給出了主電路中開關(guān)管的管壓降和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形(圖中:1—驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,2—開關(guān)管管壓降波形),圖7給出了硬開關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形,圖8給出了軟開關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形。
由圖5及圖6可知在開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來(lái)之前,開關(guān)管兩端的壓降已為零,開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開通;驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷后,開關(guān)管兩端的電壓還維持于零,開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。
由圖7及圖8可知在未實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)時(shí),主電路的輸出電壓波形質(zhì)量較差,并且有較大的“毛刺”(開關(guān)管在進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生),這些“毛刺”的存在將對(duì)電路自身和周圍其它電路和用電器產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(EMI);在加入軟開關(guān)電路后,輸出電壓波形質(zhì)量有了很大改善,并且無(wú)任何“毛刺”,較好地抑制了電磁干擾(EMI)。
EMC相關(guān)文章:EMC是什么意思
逆變器相關(guān)文章:逆變器原理
dc相關(guān)文章:dc是什么
pwm相關(guān)文章:pwm是什么
逆變器相關(guān)文章:逆變器工作原理
評(píng)論