1、一種新穎的軟開關(guān)組合式高頻環(huán)節(jié)逆變器的研究一種新穎的軟開關(guān)組合式高頻環(huán)節(jié)逆變器的研究 摘摘 要要：將恒頻移相 LCC 諧振電路與 SPWM 控制技術(shù)有機結(jié)合，提出了一種新穎的軟開關(guān)高頻環(huán)節(jié)單相逆變電路。詳細(xì)分析了它的工作原理、控制方法及穩(wěn)態(tài)特性，并利用 MATLAB 仿真軟件繪制了一組穩(wěn)態(tài)特性曲線，該曲線有利于電路參數(shù)優(yōu)化。針對阻性和感性負(fù)載分別進(jìn)行了實驗，結(jié)果證明整個電路都實現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高了電路效率。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：逆變器；移相控制；LCC 諧振；正弦脈寬調(diào)制；高頻環(huán)節(jié)；軟開關(guān)1 1 引言引言開關(guān)電源開關(guān)電源開關(guān)電源開關(guān)電源中獲得了廣泛應(yīng)用。 針對如何更有效地將直流電源轉(zhuǎn)換

2、為單相供電電源，很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。其中，文獻(xiàn)1提出半橋 LCC 諧振電路，利用正弦半波參考信號與實際輸出電流進(jìn)行滯環(huán)比較，來控制開關(guān)動作，這樣使得開關(guān)頻率變化取決于電流滯環(huán)范圍，不利于濾波電抗器設(shè)計。文獻(xiàn)2提出了雙串聯(lián)諧振的移相控制電路，由于該電路具有兩套相同的半橋諧振電路，所以結(jié)構(gòu)顯得比較復(fù)雜，而且兩套諧振電路的電感電流和電容電壓不對稱，以及當(dāng)諧振參數(shù)不對稱時，存在影響電氣性能的缺點。文獻(xiàn)3提出單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變電路，變壓器原邊繞組電壓為雙極性三態(tài)高頻脈沖交流電壓波，為周波變流器開關(guān)提供了 ZVS 開關(guān)，但變壓器原邊電路為硬開關(guān)。文獻(xiàn)4提出移相控制和有源整流相結(jié)合電路，實現(xiàn)

3、了部分軟開關(guān)。 本文結(jié)合上述電路優(yōu)點，提出利用恒頻移相 SPWM 控制的 LCC 諧振電路，為逆變電路提供零電壓開關(guān)。理論分析和實驗結(jié)果表明可以實現(xiàn)整個電路的軟開關(guān)。2 2 工作原理分析工作原理分析 如圖 1 所示，前級電路為全橋移相 SPWM 控制的 LCC 諧振變換器，其中，S1、S2橋臂稱為超前橋臂，S3、S4橋臂稱為滯后橋臂。S1和 S4驅(qū)動信號的上升沿之間夾角q 稱為移相角，其大小按照正弦半波規(guī)律變化，移相角的變化使得作用在 LCC 諧振網(wǎng)絡(luò)上的輸入電壓VAB按照相應(yīng)規(guī)律變化，通過改變調(diào)制比的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值。中級電路由高頻快恢復(fù)整流橋?qū)⒏哳l變壓器輸出電壓整流成正弦半波包絡(luò)線

4、，然后通過濾波電感Ld和小電容Cf濾除其高頻分量，只剩下低頻正弦信號。后級低頻逆變器在低頻正弦電壓信號的過零點，進(jìn)行開關(guān)切換，從而得到期望的低頻交流輸出，如圖 2 所示?？梢姾蠹壍皖l逆變器在 ZVS 條件下進(jìn)行開關(guān)，而且開關(guān)頻率低，所以開關(guān)損耗極小。3 3 控制方法分析控制方法分析 圖 3 是本文移相 SPWM 控制的實現(xiàn)方法。其中Uc為三角波載波信號，Um為正弦半波調(diào)制信號。其基本工作過程：載波信號和調(diào)制信號進(jìn)行單極性調(diào)制，形成正弦脈寬調(diào)制信號Ucmp：當(dāng)載波信號高于調(diào)制信號時，輸出低電平；當(dāng)載波信號低于調(diào)制信號時，輸出高電平。然后將Ucmp信號的下降沿和上升沿分別作為二分頻電路的觸發(fā)信號，

5、可獲得開關(guān)管 S1和 S4的驅(qū)動信號，根據(jù)互補關(guān)系獲得 S2和 S3的驅(qū)動信號。通過檢測參考正弦波Vsinref的過零點獲得 S5S8的驅(qū)動信號。4 4 穩(wěn)態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析 （1）假設(shè)濾波電感Ld很大，移相電路的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于低頻正弦輸出頻率，則在一個載波信號的開關(guān)周期內(nèi)，整流電流基本不變，即高頻變壓器原邊電流呈階躍變化形式，如圖 4 所示1。 （2）開關(guān)器件、二極管、諧振電感和電容等元件都是理想的。 （3）高頻變壓器分布電容和漏感分別折算到諧振電容Cp和諧振電感Lr中5。 （4）三次及以上諧波被諧振網(wǎng)絡(luò)充分濾除，因此諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓用基波分量表示。 （5）當(dāng)負(fù)載為感性時，將其電感量折算到濾波電

6、感中，只考慮其純電阻值。 （6）在任何相鄰兩個載波周期內(nèi)，得到Ucmp信號的兩個對應(yīng)脈沖寬度相同。 文中符號定義參見附錄。 由上述假設(shè)可得圖 1 的交流等效電路如圖 5 所示6。 其中，交流等效電阻Rac6 由圖 5 可得 以任何一個載波信號正峰值對應(yīng)的時刻作為坐標(biāo)原點，則由圖 3 可知 將圖 3 的VAB信號變換為圖 6 所示，由于 c遠(yuǎn)大于 0，因此該波形近似滿足奇函數(shù)條件，對該函數(shù)進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解7。 由式(8)，利用 MATLAB 軟件繪出下列一族曲線，如圖 7 所示。 由圖 7 可知：隨著Q值增加，輸出電壓下降，因此設(shè)計時，應(yīng)考慮最大負(fù)載情況。 圖 7(a)表明當(dāng)fn在 0.50.

7、6 之間時，輸出與負(fù)載無關(guān)，但此時開關(guān)頻率低于諧振頻率并且輸出電壓略高于輸入電壓。 圖 7(b)表明當(dāng)K大于 2 時，輸出與負(fù)載無關(guān)，圖 7(c)表明當(dāng)Cp/Cs約大于 4.5 時，輸出也與負(fù)載無關(guān)，但此時輸出電壓都小于輸入電壓。 圖 7(d)表明調(diào)制比m較小時（約小于 0.5），輸出與m基本呈線性關(guān)系，當(dāng)m較大時，輸出與m呈非線性關(guān)系。5 5 實驗結(jié)果實驗結(jié)果 根據(jù)上述分析可知,雖然該電路作為降壓電路可能優(yōu)于升壓電路，但考慮到fn大于 1，因此設(shè)計了一臺升壓原理樣機。輸入電壓Vin=100V ，輸出電壓Voac(max)=220V，輸出功率 120W。所用參數(shù)：Lr=240mH，Cs=1.2

8、mF，Cp=0.45mF，fc=40kHz，fr=18kHz，K=1/2 ，Ld=5mH，Cf=0.1mF，RL=200W，LL=10mH，m=0.5。 圖 8(a)表明開關(guān) S1的驅(qū)動信號在其反并聯(lián)二極管續(xù)流時有效，所以移相電路超前橋臂為ZVS 開通。圖 8(b)表明開關(guān) S3在接近零電流時關(guān)斷，而且此時反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，所以滯后橋臂為準(zhǔn) ZCZVS 關(guān)斷。 圖 9 表明低頻逆變電路為 ZVS 開關(guān)。圖 10 驗證了假設(shè)條件的正確性。圖 11 表明對于阻性和感性負(fù)載時，該電路是適用的，驗證了假設(shè)條件的正確性。同時，圖 11(b)也表明當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)較低，即Q值較大時，在相同輸入直流電壓下，輸

9、出電壓變小。若輸出電壓保持不變，則可以通過適當(dāng)減小fn、K、Cp/Cs以及適當(dāng)增加m值實現(xiàn)。6 6 結(jié)論結(jié)論 （1）通過選擇合適的諧振參數(shù)、變壓器匝比及調(diào)制系數(shù)，該電路既可以升壓，也可以降壓。但總體來講，降壓時受負(fù)載影響較小。 （2）移相電路的超前橋臂實現(xiàn)了零電壓開通，滯后橋臂實現(xiàn)了準(zhǔn) ZCZVS 關(guān)斷。 （3）低頻逆變器實現(xiàn)了零電壓開關(guān)。 （4）該電路適用于阻性和感性負(fù)載。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 Bhat A K S，Dewan S BDC-to-utility interface using sinewave resonant inverterJIEE Proceedings，1988，135

10、(5)：193-2012 Rajagopalan V，Rajashekara K S，Al Hadolad KAnalysis and design of a dual series resonant converter for utility interfaceJIEEE Trans. on Ind. Appl.，1990，26(1)：80-873 陳道煉，張友軍（Chen Daolian，Zhang Youjun）單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器研究（Research on uni-polarity phase shifting controlled inverters with hi

11、gh frequency pulse AC link）J中國電機工程學(xué)報（Proceedings of the CSEE），2003，23(4)：27-304 Koutroulis E，Chatzakis J，Kalaitzakis K，et alA bidirectional，sinusoidal, high-frequency inverter designJIEE Proc. Electr. Power Appl.，2001，148(4)：315-3215 孫向東，段龍，鐘彥儒，等（Sun Xiangdong，Duan Long，Zhong Yanru，et al）高壓直流 LCC 諧振

12、變換器的分析與設(shè)計（Analysis and design of high voltage DC power supply with LCC resonant circuit）J電工技術(shù)學(xué)報（Transactions of China electrotechnical society），2002，17(5)：60-646 Steigerwald R LA comparison of half-bridge resonant converter topologiesJIEEE Trans. Power Electron.，1988，3(4)：174-1827 陳國呈PWM 變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，2001附附 錄錄 符號定義： wo輸出正弦波角頻率； w