高頻鏈逆變電源的設(shè)計

摘要：首先簡要地介紹了逆變電源采用高頻鏈逆變技術(shù)的優(yōu)勢，然后具體針對1000VA高頻鏈逆變電源進行了主電路和控制方案的設(shè)計，并對設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題進行了考慮，最后給出了相應(yīng)的仿真波形和實驗波形，證明了該逆變電源具有良好的性能。
關(guān)鍵詞：高頻鏈；周波變換器；逆變器；移相控制

1引言

　　在傳統(tǒng)的逆變電源中，由于大部分采用的都是逆變器—工頻變壓器—濾波器的結(jié)構(gòu)，使得整個逆變電源又大又笨重，難以滿足人們對現(xiàn)代電源高功率密度、高效率、高可靠性、小型輕量化的要求，而且由于制造工頻變壓器需消耗大量的鐵和銅，所以使整個逆變電源的造價很高。為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點，Mr.ESPELAGE于1977年提出了高頻鏈技術(shù)的概念，并由于高頻鏈技術(shù)能夠大大減小逆變電源的重量和體積，所以成為國內(nèi)外爭相研究的熱點。
高頻鏈技術(shù)是指利用高頻開關(guān)技術(shù)使隔離耦合變壓器實現(xiàn)高頻化、小型化、無噪聲化的技術(shù)。由于
U=4.44fNBS
式中：U為正弦電壓有效值（V）；
f為正弦電壓頻率（Hz）；
N為繞組匝數(shù)（匝）；
B為鐵心磁通密度（T）；
S為鐵心的橫截面積（m2）。
　　
　　所以，當電壓和鐵心材料選定時，f與NS成反比，即f越大，NS越小，這樣就可以達到減小變壓器的體積和重量的目的。
本文針對電氣化鐵路中廣泛應(yīng)用的25Hz逆變電源進行了高頻鏈設(shè)計。

2主電路的設(shè)計

　　隨著高頻鏈技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)在從結(jié)構(gòu)上主要分為二類，即高頻鏈DC/DC變換型和高頻鏈周波變換型。
高頻鏈DC/DC變換型就是在傳統(tǒng)逆變電源的直流側(cè)和逆變器之間加入一級DC/DC變換器，由于DC/DC變換器采用的是高頻變換，所以電路中使用的是高頻變壓器，這樣就可以省掉體積龐大的工頻變壓器，其電路結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。雖然DC/DC變換型實現(xiàn)起來比較容易，但是存在功率只能單向流動，負載不能向電源回饋能量；三級功率變換，既使得系統(tǒng)效率低，又使得系統(tǒng)復(fù)雜，從而降低了系統(tǒng)的可靠性等缺點。
高頻鏈周波變換型主要由高頻電壓源逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。與高頻鏈DC/DC型相比，該逆變器實現(xiàn)逆變只經(jīng)過兩級功率變換，降低了變換器的通態(tài)損耗和系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，而且功率可以實現(xiàn)雙向流動。本文介紹高頻鏈周波變換型的主電路設(shè)計。

　　具體實現(xiàn)時，高頻逆變器可以采用推挽式、半橋式和全橋式，周波變換器可以采用全波式、全橋式?？紤]到輸出電壓和功率的設(shè)計要求，最終確定的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，Ui為輸入直流電壓，S1、S2、S3、S4組成全橋逆變器，T為高頻變壓器，K1、K2、K3、K4是由2個反向串聯(lián)的MOSFET組成的雙向開關(guān)，共同組成全橋式周波變化器，L、C組成LC濾波器。

3控制方法及其實現(xiàn)

　　本文的高頻鏈周波變換型采用移相控制方案，移相控制是近年來在全橋變換電路拓撲中廣泛應(yīng)用的一種控制方式。移相控制的基本工作原理為，全橋變換電路每一個橋臂的兩個開關(guān)管互補導(dǎo)通，兩個橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通之間相差一個相位，即所謂的移相角。通過調(diào)節(jié)此移相角的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度，達到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。
系統(tǒng)工作原理如圖3所示，輸入的220V/50Hz交流市電經(jīng)過整流濾波后變成300V左右的直流，然后經(jīng)過全橋逆變器的高頻逆變，輸出25kHz相鄰脈沖互為反極性的SPWPM（正弦脈寬脈位調(diào)制）波，該波形含有SPWM波的全部信息，但不含25Hz調(diào)制波的頻率成分，適合于高頻變壓器傳輸。SPWPM波通過高頻變壓器隔離后，用周波變換器同步整流，把25Hz正半周時間內(nèi)的負脈沖翻轉(zhuǎn)成正脈沖，把25Hz負半周時間內(nèi)的正脈沖翻轉(zhuǎn)成負脈沖之后，將得到25Hz的單極性SPWM波（如圖3中uA′B′所示波形）。SPWM波通過LC濾波，則輸出光滑的220V/25Hz的正弦交流電壓。

　　為了實現(xiàn)上述的移相控制策略，本文采用了用模擬電路實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，用數(shù)字電路CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）來實現(xiàn)驅(qū)動信號的時序和邏輯控制的設(shè)計方法。這種方法使得整個控制器的集成度提高，可靠性增強，而且為控制電路的設(shè)計提供了一定的靈活性。整個控制環(huán)節(jié)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩條控制電路，內(nèi)環(huán)為電壓瞬時值比例（P）調(diào)節(jié)，外環(huán)為電壓平均值的比例積分（PI）調(diào)節(jié)。由于內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快，可以改善電壓的瞬時波動造成的波形畸變，外環(huán)可以使整體的穩(wěn)壓的特性變硬，從而達到良好的穩(wěn)壓效果。
具體實現(xiàn)上如圖4所示，輸出電壓Uo經(jīng)過反饋變壓器變換得到反饋電壓，再經(jīng)過精密整流電路后，與5V的參考電壓相減，得到的偏差進行PI調(diào)節(jié)，然后與基準正弦半波相乘得到內(nèi)環(huán)瞬時電壓偏差的正弦參考電壓；內(nèi)環(huán)的瞬時電壓反饋信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后，與參考電壓相減，得到誤差信號，誤差信號再經(jīng)過P調(diào)節(jié)就直接與三角波比較，產(chǎn)正SPWM波，然后輸入CPLD中，經(jīng)過CPLD產(chǎn)生MOSFET的驅(qū)動信號，其中采用VHDL（硬件描述語言）編程來實現(xiàn)圖4中虛框所示的功能——分頻器、地址產(chǎn)生器、比較器和時序邏輯發(fā)生器。
　
　

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　　如圖3所示本文采用的是用等腰三角波來實現(xiàn)雙邊調(diào)制。國外許多高頻鏈設(shè)計中通常采用的是鋸齒波實現(xiàn)單邊調(diào)制，其直邊用于同步開關(guān)時序，斜邊用于脈寬調(diào)制，而在實際應(yīng)用中，這種方法存在鋸齒波的直邊不能完全垂直而帶來的開關(guān)時序同步問題。本文所采用CPLD進行時序設(shè)計的方法，從根本上解決了開關(guān)時序同步的問題。4設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題

4.1變壓器的設(shè)計

　　變壓器設(shè)計是整機設(shè)計中重要的一環(huán)，設(shè)計的好壞對整機的性能有很大的影響。由于所設(shè)計的變壓器是高頻變壓器，因此，磁芯材料選用鐵氧體。通過計算AP值的方法來計算變壓器磁芯規(guī)格和原副邊匝數(shù)后，還應(yīng)注意以下幾點：
1）通過實驗反復(fù)修正確定最佳的參數(shù)；
2）盡量選用多股線，減少趨膚效應(yīng)；
3）盡量將副邊繞制在內(nèi)層，原副邊緊密繞制，以減小副邊的漏感。

4.2抗偏磁飽和

　　為了防止變壓器的偏磁飽和，一方面，調(diào)整驅(qū)動脈沖死區(qū)，選擇開關(guān)特性一致的功率開關(guān)管；另一方面，在變壓器的原邊串聯(lián)隔直電容。有關(guān)幾個參數(shù)的計算公式如下：

　　反射濾波電感LR為
 
　

4.3吸收電路的設(shè)計

　　由于電壓源高頻鏈逆變技術(shù)存在固有的電壓過沖問題，因此如何設(shè)計吸收電路，對保護功率開關(guān)管尤為重要。這里給出簡便的設(shè)計方法。
吸收電容Cs為

4.4死區(qū)時間和共態(tài)導(dǎo)通時間

　　為了防止全橋逆變電路一個橋臂中的上下開關(guān)管同時導(dǎo)通而出現(xiàn)直通的情況，需要在全橋逆變電路的驅(qū)動中加入死區(qū)時間。同時，為了保證當開關(guān)管換流時，濾波電感中的電流有續(xù)流通路，要在周波變換器的驅(qū)動中加入共態(tài)導(dǎo)通時間。但是由于共態(tài)導(dǎo)通時間也造成了變壓器副邊瞬間短路，將產(chǎn)生一個很高的電流尖峰，所以共態(tài)導(dǎo)通時間不宜設(shè)置過長，為此，在變壓器副邊串入小電感來抑制電流尖峰。

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5仿真及其實驗波形

　　本文利用MATLAB61提供的SIMULINK工具包對整個系統(tǒng)建立了仿真模型進行仿真。仿真模型參數(shù)：輸入直流電壓300V，輸出交流電壓220V，25Hz，額定容量1000VA，開關(guān)頻率25kHz，變壓器變比1/1.4，輸出濾波電感L=0.5mH，輸出濾波電容C=20μF，額定負載R=45Ω。仿真波形如圖5所示。

原理樣機的實驗波形如圖6所示。

6結(jié)語

　　采用周波變換器高頻鏈技術(shù)實現(xiàn)的逆變電源電壓輸出特性良好，相對于傳統(tǒng)的逆變電源具有重量輕、體積小、低噪音、成本低的諸多優(yōu)點，具有較高的實用價值。