圖1工頻變壓器隔離型

1引言

隨著高頻鏈逆變技術的不斷發(fā)展，它的應用范圍日益廣泛。首先，電信、航空航天、軍事等領域，常常要求供電裝置重量輕、體積小、功率密度大和可靠性高；其次，隨著石油、煤和天然氣等礦產能源的不斷消耗以及環(huán)境污染等問題，使用蓄電池、太陽能電池等作為能源的混合型電動汽車驅動系統(tǒng)日益成為研究熱點，效率和體積是它的首要考慮因素；另外，在建筑行業(yè)，常常使用振動棒進行均勻混合澆注混凝土，這也要求振動棒供電裝置體積小、重量輕、使用安全和可靠性高等；以及UPS技術的日益興起和廣泛應用……?？紤]到以上各種供電裝置和負載之間都要解決安全與匹配問題，因此常常需要加隔離變壓器。針對上述要求，需要研究具有隔離變壓器的逆變器電路拓撲。高頻鏈逆變技術正是在這種情況下蓬勃發(fā)展起來的。

所謂高頻鏈逆變技術就是采用高頻脈沖變壓器替代低頻變壓器傳輸能量，并實現(xiàn)變流裝置的一、二次側電源之間的電氣隔離。從不同角度看高頻鏈逆變器，可以有不同的劃分形式。按負載相數(shù)可分為單相和三相；按功率流動方向可分為雙向和單向兩種形式；按電路工作機理分為PWM方式和諧振方式兩種類型；按功率變換器的類型可分為電壓源（Voltagemode或Buckmode）和電流源（Currentmode或Buck?boostmode）兩種；按電路拓撲結構又可分為AC/AC變換型、DC/DC變換型（DC/HFAC/DC/LFAC）和周波變流型（Cycloconvertertype）。下面以最后一種劃分方法分別進行討論。

2高頻鏈逆變技術分類

2.1AC/AC變換型

2.1.1工頻變壓器隔離型

1973年，由Bedford首先提出高頻鏈（HFlink）轉換器的思想[1]，接著由Gyugui和Pelly進行了深入發(fā)展。如圖1所示，輸入側和輸出側都采用工頻變壓器隔離，由LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡為周波變換器提供自然換

()

高頻鏈逆變技術發(fā)展綜述

圖4單端正激式高頻鏈逆變器

圖5控制方案1

圖6控制方案2

圖2高頻變壓器隔離型

相點，可以實現(xiàn)AC/AC或者DC/AC功能，并且功率可以雙向流動，以及功率因數(shù)任意調整。這種變換型式存在如下主要缺點：

1）采用工頻變壓器，體積大、笨重；

2）具有音頻噪音；

3）輸入電壓和負載波動時，系統(tǒng)響應速度慢。

2.1.2高頻變壓器隔離型

Sood和Lipo用實驗驗證了在諧振轉換器中使用雙向GTO實現(xiàn)高頻鏈電源分布系統(tǒng)的可行性[2]，如圖2所示。這種變換型式的主要優(yōu)點是

1）采用高頻變壓器，體積小，重量輕；

2）諧振軟開關有利于降低開關損耗、提高效率。

主要缺點是

1）開關器件的耐流能力和耐壓能力大；

2）采用雙向開關，開關數(shù)目多，成本較高；

3）采用PDM控制方式，需要嚴格的同步關系。

2.2DC/DC變換型

這種類型高頻鏈逆變器是目前應用最廣泛的單向功率流動電壓源高頻鏈逆變器方案[3][4][5][6]，它的經典電路如圖3所示。該拓撲是在直流側和逆變器之間插入一級DC/DC變換器，使用高頻變壓器實現(xiàn)電壓調整和電氣隔離。很明顯，它具有三級功率變換過程：DC/HFAC/DC/LFAC。這種變換型式的主要優(yōu)點是

1）所有開關都是單向的；

2）DC/DC部分和DC/AC部分的控制相對獨

立，兩部分配合起來比較簡單，基本上不需要同步。

主要缺點是

1）功率單向流動；

2）通態(tài)損耗大；

3）由于功率級較多，導致可靠性降低。

2.2.1單端正激式高頻鏈逆變器

如圖4所示，前級部分由DC/DC正激電路及磁復位電路組成，采用PWM控制技術實現(xiàn)調壓，后級部分由吸收電路、LC諧振電路和單相逆變器組成，采用PDM控制技術實現(xiàn)ZVS開關條件，以便減小開關損耗[7]。

2.2.2橋式高頻鏈逆變器[8][9]

1）控制方案1如圖5所示，其主電路包括直流電壓—PWM高頻逆變—高頻變壓器—快恢復二極管整流—大電容濾波—SPWM逆變器—單相50Hz正弦波輸出。

2）控制方案2如圖6所示，其主電路包括直流電壓—SPWM逆變—高頻變壓器—（具有正弦包絡線的正弦調制高頻交流電）—快恢復二極管整流—小電容濾波—工頻電壓全波整流—50Hz方波驅動—50Hz正弦波輸出。

由圖5和圖6可見，兩種控制方案的主電路結構基本相同，但控制方法有所不同。在方案1中前后兩部分電路不需要同步，相互獨立，但開關損耗大。而在方案2中，50Hz方波驅動時相當于ZVS條件，開關損耗小，但要求嚴格同步。另外，由方案2可以實現(xiàn)三相

圖3DC/DC變換型

圖7雙向周波變流型高頻鏈逆變器

圖8硬開關PWM控制方式

圖9LC諧振方式

輸出負載，但是需要三套相同的單相電路，結構較復雜，而且相位需要嚴格同步。

2.3周波變流型

它是目前實現(xiàn)雙向功率傳輸?shù)某Ｓ梅桨?。該拓撲結構一般由一個逆變器和一個周波變流器級聯(lián)而成，如圖7所示，從而省去了DC/DC變換型高頻鏈逆變器中的直流環(huán)節(jié)，因此只需要二級功率變換（DC/HFAC/LFAC），減小了逆變器的通態(tài)損耗，提高了系統(tǒng)效率和可靠性。

2.3.1硬開關PWM控制方式

如圖8所示[10]，其三相輸出采用周波變流器形式將高頻電壓變換成三相工頻電壓，主要用于中小容量UPS。采用周波變換器直接將高頻交流變換成工頻交流，與經過直流變換相比較，具有下列特點：

1）電力變換級數(shù)少，可以提高效率；

2）高頻部分后級不需要直流電容器，系統(tǒng)總體成本低，結構簡單；

3）硬開關PWM控制；

4）當高頻變壓器次級側開路時，由于變壓器漏感儲能無放電回路而產生較大的電壓尖峰。

為了解決圖8電路存在的問題，在文獻[11]中，周波變換器的開關控制是與一次側高頻逆變器同步且在零電壓條件下進行的，同時提出了在一個采樣周期內輸出多個電壓矢量的脈沖分配方法。文獻[12]針對變壓器漏感引起的副邊電壓過沖問題，采用換相重疊方法進行抑制，并獲得了ZCS效果。

2.3.2LC諧振方式

高頻變壓器原邊部分采用2個功率開關及LC串聯(lián)諧振方式，副邊部分采用周波變換器形式[13]，如圖9所示。利用準零電流ZCS條件來減小開關損耗，同時采用實時反饋控制方法使輸出電壓為正弦波。其主要特點是

1）不需要檢測HFlink電流的過零時刻而實現(xiàn)準ZCS；

2）容易實現(xiàn)輸出電壓實時控制；

3）HFlink電流幅值隨輸出電流而變化。

2.3.3直流環(huán)節(jié)準諧振方式

高頻變壓器前級部分采用直流環(huán)節(jié)準諧振逆變電路（簡稱QRDCLI)，后級部分采用周波變換器形式[14]，如圖10所示。同時還提出了改進的PDM控制策略和數(shù)字控制方法。該系統(tǒng)不需要緩沖電路，而且可以工作于四個象限。

3發(fā)展趨勢

自從上世紀80年代以來，高頻鏈逆變技術一直受到人們極大的關注，發(fā)表了大量的相關文獻。目前存在的高頻鏈逆變器拓撲，一般有以下幾個特點：

圖10直流環(huán)節(jié)準諧振方式

()

高頻鏈逆變技術發(fā)展綜述

1）DC/DC變換型需要三級功率變換，通態(tài)損耗高且控制復雜；

2）周波變流型大量使用雙向開關，增加了電路成本和損耗；

3）電流換相時存在電壓過沖問題；

4）非純電阻性負載時，續(xù)流困難；

5）大部分電路針對CVCF系統(tǒng)設計，對于VVVF系統(tǒng)控制起來相對要復雜；

在單相高頻鏈逆變電路中，目前已經出現(xiàn)了一些比較成熟的方案，但三相高頻鏈逆變電路還很不成熟，還需要繼續(xù)深入研究?？傮w來講，主要涉及三個方面：

1）使用可關斷器件和軟開關技術，提高工作頻率，以便達到裝置小型化、低成本、無音頻噪音，并且具有高可靠性、高效率；

2）研究新的組合式拓撲結構，分析復雜的工作過程以及建立數(shù)學模型，解決目前高頻鏈逆變器存在的缺點；

3）研究各種控制方式，包括PFM、SPWM、SVPWM、DPWM、PDM和差頻控制等。

4結語

高頻鏈轉換器是一種靈活多變的拓撲結構，其共同特點是電路結構形式緊湊，功率密度和效率高，響應速度快。另外，系統(tǒng)可以工作在20kHz以上，無音頻噪音，濾波相對容易，并且功率可達kW級以上。因此，無論在恒壓恒頻（CVCF）領域，還是在調頻調壓（VVVF）領域都有很大實用價值，它是未來繼續(xù)研究發(fā)展的一個重要課題。

參考文獻

[1]DeepakrajM．DIVAN.TheResonantDCLinkConverter－A

NewConceptinStaticPowerConversion[J].IEEETrans.Ind.Appl.，1989,25(2):317－325.

[2]PradeepK.SoodandThomasA.Lipo.PowerConversion

DistributionSystemUsingaHigh?FrequencyACLink[J].

IEEETrans.Ind.Appl.，1988,24(2):288－300.

[3]KuniomiOguchi，EiichiIkawaandYoshitakaTsukiori.A

Three?PhaseSineWaveInverterSystemUsingMultiplePhase?ShiftedSingle?PhaseResonantInverters[J].IEEETrans.Ind.Appl.，1993,29(6):1076－1083.

[4]MichaelAndrewdeRooij，JanA.FerreiraandJacobus

DanielvanWyk.Anovelunitypowerfactorlow?EMIuninterruptiblepowersupply[J].IEEETrans.Ind.Appl.，1998,34(4):870－877

[5]VenkatachariRajagopalan，KamakAL?Haddadetc.Analysis

anddesignofadualseriesresonantconverterforutilityinterface[J].IEEETrans.Ind.Appl.，1990,26(1):80－87.

[6]王慧貞.400Hz軟開關中頻電源的研制[J].電力電子技

術，1997,31(3):52－54.

[7]LanXiao.AnalysisandrealizationofForwardDCLink

Soft?SwitchingStaticInverter[C].IPEMC2000Beijing，China，2000:1083－1087.

[8]五十嵐,征輝.高頻環(huán)節(jié)型系統(tǒng)互連用逆變器的開發(fā)

[C].國際電力電子學術會議（1991）譯文集，1992:240－244.

[9]王創(chuàng)社,耿寶成,李仰梅.用高頻SPWM逆變產生低頻

正弦波輸出電路分析與設計[C].西安：西北地區(qū)第四屆電源技術學術年會，1996:55－60.

[10]稻恒克久，犬熊繁.UPS用具有高頻環(huán)節(jié)的DC/AC變

流器的輸出電壓控制法[C].國際電力電子學術會議（1991）譯文集，1991:173—176.

[11]三宅，悟史.高頻單相逆變器環(huán)正弦波CVCF周波變流

器及狀態(tài)反饋數(shù)字控制[C].國際電力電子學術會議（1991）譯文集，1991:238—240.

[12]MikihikoMatsui，M.Nagai，M.Mochizuki，A.Nabae.

High?FrequencylinkDC/ACConverterwithsuppressedvoltagecircuit－NaturallyCommutatedPhaseAngleControlwithSelfTurn?ofDevices[J].IEEETrans.Ind.Appl.，1996:32(2).

[13]MuneakIshida．Real?TimeVoltageControlMethodof

Quasi?ZCSseries?ResonantHF?LinkedDC－ACConverter[C].IPEMC'1994:329－334.

[14]Wan?LinSheng，KojiMunetou．InstantaneousSpaceVoltage

Vector?ControlledThree?phaseSinewaveInverterwithImprovedQuasi?ResonantPWMDCLink[C].CJPEC'1992:404－413.