單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器研究

1.2單極性移相控制原理

??? 以全橋全波式電路為例,其單極性移相控制原理,如圖2所示。

??? 逆變器將輸入電壓Uiymf 制成雙極性三態(tài)的電壓波uEF,周波變換器將此電壓波解調(diào)成單極性SPWM波,經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓u0。．周波變換器功率開關(guān)在UEF為零期間進(jìn)行ZVS換流.逆變器右橋臂相對(duì)左橋臂存在移相角θ,而且輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波,故為單極性移相控制。Ugsl與Ugs4,Ugs2與ugs3之間在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的共同導(dǎo)通時(shí)間為Tcom=Ts(180。-θ=/(2×180。) (1)

??? 當(dāng)輸入電壓Ui降低或負(fù)載變大時(shí),導(dǎo)致輸出電壓Uo．降低,閉環(huán)反饋控制使得移相角θ減小、共同導(dǎo)通時(shí)間Tcom增大,從而使得輸出電壓增大。因此．調(diào)節(jié)移相角θ可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2 穩(wěn)態(tài)原理與外特性
2.1 穩(wěn)態(tài)原理
??? 以輸出電uo>O、濾波電感電流iLf>0為例．穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)．一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的6個(gè)開關(guān)狀態(tài)電路,如圖3(a)～(f)所示.圖3(a)、(b)、(d)、(e)和圖3(c)、(f)可分別用圖3(g)、(h)所示等效電路表示,其中r為包括變壓器繞阻電阻、漏抗、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻.由于開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于輸出濾波器截止頻率和輸出電壓的頻率,因此,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓uo可看成恒定量,可用狀態(tài)空間平均法建立輸出電壓、濾波電感電流的定量關(guān)系式.

?Fig.3? The switching state circuits and equivalent circuits

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式中：D為濾波器前端電壓SPWM波在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的占空比,即D=2Tcom/Ts=（180°-θ）/180°。

2.2 穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器外特性
2.2.l 理想情形(r=O)
??? 由式(7)可知,理想情形且CCM模式時(shí)逆變器的外特性為Uo=DUiN2/N1? (8)
濾波電感電流臨界連續(xù)和DCM模式時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的原理波形,如圖4所示.

Fig.4? The filter inductance current waveforms in critically CCM and DCM during one switching period

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2.2.2 實(shí)際情形
??? 實(shí)際情形時(shí),逆變器的內(nèi)阻r不為零,因此逆變器外特性可由式(7)表示。
??? 逆變器標(biāo)么外特性曲線,由式(12)決定;曲線A右邊為濾波電感電流連續(xù)時(shí)外特性曲線．實(shí)線為理想情形時(shí)曲線,由式(8)決定．虛線為實(shí)際情形時(shí)曲線．由式(7)決定．可見隨負(fù)載增加,輸出電壓下降;曲線A左邊為濾波電感電流斷續(xù)時(shí)外特性曲線．由式(18)決定。

3? 原理試驗(yàn)

??? 設(shè)計(jì)實(shí)例：全橋橋式電路拓?fù)?單極性移相控制策略,輸入電壓Ui=DC270（1±10%）V,輸出電壓Uo=AC115V/400Hz,額定容量S=1kV·A,開關(guān)頻率fs=50kHz,變壓器原、副邊匝比為N1/N2=25/20,變壓器磁芯選用Mn-Zn鐵氧體R2KBD材料PM62×49,濾波電感Lf=0.5mH,濾波電容Cr=2μF,功率開關(guān)S1-S8b均選用IRFP460MOSFET（20A/500V）,控制電路采用兩片UC3879芯片。

??? 逆變器額定阻性負(fù)載時(shí)原理試驗(yàn)波形,如圖6所示.原理試驗(yàn)結(jié)果均表明：

??? 1)變壓器原邊繞組電壓uEF為雙極性三態(tài)的高頻脈沖交流電壓波;
??? 2)周波變換器功率升關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)：
??? 3)輸出濾波器前端電壓uDC為單極性SPWM波．頻譜特性好;
??? 4)輸出電壓波形失真度THD<0.5%;
??? 5)額定阻性負(fù)載時(shí)變換效率為86％：
??? 6)該逆變器還適用于感性.溶性、非線性負(fù)載;
??? 7)仿真、原理試驗(yàn)結(jié)果均與理論分析一致.

4 結(jié)語
??? 1)單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換(DC/HFA/LFAC)、變換效率高、雙向功率流、周波變換器實(shí)現(xiàn)了zvs換流、輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);

??? 2)單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器拓?fù)浒ㄈ珮蛉ㄊ?、全橋橋式兩種;
??? 3)獲得了逆變器外特性曲線以及輸出電壓、濾波電感電流等關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;
??? 4)原理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分忻的正確性。