高頻鏈逆變電源的設(shè)計(jì)

摘要：首先簡(jiǎn)要地介紹了逆變電源采用高頻鏈逆變技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，然后具體針對(duì)1000VA高頻鏈逆變電源進(jìn)行了主電路和控制方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了考慮，最后給出了相應(yīng)的仿真波形和實(shí)驗(yàn)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

?Design of High Frequency Link Inverter Power Supply

Duan Jun, Duan Cheng-gang, Su Yan-min, Zhang Jian-rong, Bai Xiao-qing

Abstract:Firstly, the advantage of the high frequency link (HFL) technology is briefly introduced. Secondly, main circuit and control scheme of the 1 000 VA HFL inverter power supply is designed. Consequently, the problem in the design is considered. Finally, the waveform of the simulation and experiments are given to prove the inverter power supply has good performance.?

Keywords:High frequency link; Cycloconverter; Inverter; Phase-shifted control?

中圖分類號(hào)：TN86??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：0219－2713(2002)04－0164－04

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(gè)逆變電源又大又笨重，難以滿足人們對(duì)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(gè)逆變電源的造價(jià)很高。為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點(diǎn)，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(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。

??? 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(shí)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(dāng)電壓和鐵心材料選定時(shí)，f與N_S成反比，即f越大，N_S越小，這樣就可以達(dá)到減小變壓器的體積和重量的目的。

??? 本文針對(duì)電氣化鐵路中廣泛應(yīng)用的25Hz逆變電源進(jìn)行了高頻鏈設(shè)計(jì)。

2? 主電路的設(shè)計(jì)

??? 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(jí)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(shí)現(xiàn)起來比較容易，但是存在功率只能單向流動(dòng)，負(fù)載不能向電源回饋能量；三級(jí)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(diǎn) 。

??? 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(shí) 現(xiàn) 逆 變 只 經(jīng) 過 兩 級(jí) 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(shí) 現(xiàn) 雙 向 流 動(dòng) 。 本 文 介 紹 高 頻 鏈 周 波 變 換 型 的 主 電 路 設(shè) 計(jì) 。

(a)? 高 頻 鏈DC/DC變 換 型

(b)? 高 頻 鏈 周 波 變 換 型

圖1? 兩 種 高 頻 鏈 逆 變 電 路

??? 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(jì)要求，最終確定的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，U_i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(gè)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。

圖2? 主 電 路 的 電 路 結(jié) 構(gòu)

3? 控制方法及其實(shí)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?fù)渲袕V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(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通之間相差一個(gè)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(dá)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(shí)間內(nèi)的負(fù)脈沖翻轉(zhuǎn)成正脈沖，把25Hz負(fù)半周時(shí)間內(nèi)的正脈沖翻轉(zhuǎn)成負(fù)脈沖之后，將得到25Hz的單極性SPWM波（如圖3中u_A′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。

圖3? 主 電 路 的 開 關(guān) 時(shí) 序

??? 為了實(shí)現(xiàn)上述的移相控制策略，本文采用了用模擬電路實(shí)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序和邏輯控制的設(shè)計(jì)方法。這種方法使得整個(gè)控制器的集成度提高，可靠性增強(qiáng)，而且為控制電路的設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性。整個(gè)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(shí)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(shí)波動(dòng)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(dá)到良好的穩(wěn)壓效果。

??? 具體實(shí)現(xiàn)上如圖4所示，輸出電壓U_o經(jīng)過反饋?zhàn)儔浩髯儞Q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(jìn)行PI調(diào)節(jié)，然后與基準(zhǔn)正弦半波相乘得到內(nèi)環(huán)瞬時(shí)電壓偏差的正弦參考電壓；內(nèi)環(huán)的瞬時(shí)電壓反饋信號(hào)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后，與參考電壓相減，得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)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(dòng)信號(hào)，其中采用VHDL（硬件描述語言）編程來實(shí)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(shí)序邏輯發(fā)生器。

圖4? 控 制 電 路 圖

??? 如圖3所示本文采用的是用等腰三角波來實(shí)現(xiàn)雙邊調(diào)制。國外許多高頻鏈設(shè)計(jì)中通常采用的是鋸齒波實(shí)現(xiàn)單邊調(diào)制，其直邊用于同步開關(guān)時(shí)序，斜邊用于脈寬調(diào)制，而在實(shí)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(shí)序同步問題。本文所采用CPLD進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)的方法，從根本上解決了開關(guān)時(shí)序同步的問題。

4? 設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題

4.1? 變壓器的設(shè)計(jì)

??? 變壓器設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整機(jī)的性能有很大的影響。由于所設(shè)計(jì)的變壓器是高頻變壓器，因此，磁芯材料選用鐵氧體。通過計(jì)算AP值的方法來計(jì)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(diǎn)：

??? 1）通過實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)參數(shù)的計(jì)算公式如下：

??? 輸出電感L為

?????? L===0.53mH

???? 諧振頻率f_R為

?????? f_R=0.25×f_s=0.25×25×10³=6250Hz

??? 反射濾波電感L_R為

?????? L_R=×L=×0.53mH=0.27mH

??? 隔直電容C為

????? C==2.4μF

4.3? 吸收電路的設(shè)計(jì)

??? 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(jì)吸收電路，對(duì)保護(hù)功率開關(guān)管尤為重要。這里給出簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法。

??? 吸收電容C_s為

???? C_s=2C_oss=2×500×10^－12=1000pF

式中：C_oss為MOSFET輸出電容。

??? 吸收電阻R_s為

????? R_s==67Ω

??? 消耗功率P_diss為

????? P_diss≈C_sU_o²f_s=1000×10^－12×300²×25×10³=2.25W

4.4? 死區(qū)時(shí)間和共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間

??? 為了防止全橋逆變電路一個(gè)橋臂中的上下開關(guān)管同時(shí)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(dòng)中加入死區(qū)時(shí)間。同時(shí)，為了保證當(dāng)開關(guān)管換流時(shí)，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(dòng)中加入共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間。但是由于共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間也造成了變壓器副邊瞬間短路，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電流尖峰，所以共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間不宜設(shè)置過長(zhǎng)，為此，在變壓器副邊串入小電感來抑制電流尖峰。

5? 仿真及其實(shí)驗(yàn)波形

??? 本文利用MATLAB6.1提供的SIMULINK工具包對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立了仿真模型進(jìn)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=0.5 mH， 輸 出 濾 波 電 容C=20μ F， 額 定 負(fù) 載R=45Ω。 仿 真 波 形 如 圖5所 示 。

(a)變 壓 器 原 邊 電 壓 波 形

(b)變 壓 器 副 邊 電 壓 波 形

(c)空 載 輸 出 電 壓 波 形

(d)帶 載 輸 出 電 壓 波 形

圖5仿 真 波 形

??? 原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

(a)變 壓 器 原 邊 電 壓 波 形100V/Div 20μ s/Div

(b)變 壓 器 副 邊 電 壓 波 形125V/Div 20μ s/Div

（c） 空 載 電 壓 波 形100V/Div 10ms/Div

(d)滿 載 電 壓 波 形100V/Div 10ms/Div

圖6實(shí) 驗(yàn) 波 形

6? 結(jié)語

??? 采用周波變換器高頻鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的逆變電源電壓輸出特性良好，相對(duì)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(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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