高頻鏈逆變技術(shù)發(fā)展綜述

圖1工頻變壓器隔離型

1引言

隨著高頻鏈逆變技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍日益廣泛。首先，電信、航空航天、軍事等領(lǐng)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(chǎn)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(qū)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(shù)的日益興起和廣泛應(yīng)用……。考慮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(shù)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(shù)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(cè)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)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(cè)和輸出側(cè)都采用工頻變壓器隔離，由LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)為周波變換器提供自然換

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高頻鏈逆變技術(shù)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(diào)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(yīng)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(zhuǎn)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(guān)有利于降低開關(guān)損耗、提高效率。

主要缺點是

1）開關(guān)器件的耐流能力和耐壓能力大；

2）采用雙向開關(guān)，開關(guān)數(shù)目多，成本較高；

3）采用PDM控制方式，需要嚴格的同步關(guān)系。

2.2DC/DC變換型

這種類型高頻鏈逆變器是目前應(yīng)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(jīng)典電路如圖3所示。該拓撲是在直流側(cè)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(diào)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(guān)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(dǎo)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(fù)位電路組成，采用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)調(diào)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(shù)實現(xiàn)ZVS開關(guān)條件，以便減小開關(guān)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(fù)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(luò)線的正弦調(diào)制高頻交流電）—快恢復(fù)二極管整流—小電容濾波—工頻電壓全波整流—50Hz方波驅(qū)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(jié)構(gòu)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(guān)損耗大。而在方案2中，50Hz方波驅(qū)動時相當于ZVS條件，開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jīng)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(jié)構(gòu)簡單；

3）硬開關(guān)PWM控制；

4）當高頻變壓器次級側(cè)開路時，由于變壓器漏感儲能無放電回路而產(chǎn)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(guān)控制是與一次側(cè)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(nèi)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(guān)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(guān)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(shù)一直受到人們極大的關(guān)注，發(fā)表了大量的相關(guān)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

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高頻鏈逆變技術(shù)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(fù)雜；

2）周波變流型大量使用雙向開關(guān)，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(shè)計，對于VVVF系統(tǒng)控制起來相對要復(fù)雜；

在單相高頻鏈逆變電路中，目前已經(jīng)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(guān)斷器件和軟開關(guān)技術(shù)，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(jié)構(gòu)，分析復(fù)雜的工作過程以及建立數(shù)學(xué)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(jié)語

高頻鏈轉(zhuǎn)換器是一種靈活多變的拓撲結(jié)構(gòu)，其共同特點是電路結(jié)構(gòu)形式緊湊，功率密度和效率高，響應(yīng)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(lǐng)域，還是在調(diào)頻調(diào)壓（VVVF）領(lǐng)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。

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