高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器控制策略

1 引言

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器，如圖1所示。該電路結(jié)構(gòu)由高頻逆變器（推挽式、半橋式、全橋式）、高頻變壓器、周波變換器（全波式、橋式）構(gòu)成，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、雙向功率流、兩級(jí)功率變換（DC/HFAC/LFAC）、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

但這類逆變器在采用傳統(tǒng)的PWM技術(shù)時(shí)，周波變換器器件換流將打斷高頻變壓器漏感中連續(xù)的電流而造成不可避免的電壓過沖。由于這個(gè)原因，這類方案都需采用一些緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲(chǔ)在漏感中的能量。有源電壓箝位電路是以增加功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜性為代價(jià)的，故不十分理想。

因此，在不增加電路拓?fù)鋸?fù)雜性的前提下，如何解決高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器固有的電壓過沖問題和實(shí)現(xiàn)周波變換器的軟換流技術(shù)，是高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的一個(gè)研究重點(diǎn)。為此，本文提出和研究了單極性、雙極性移相控制策略，可分別使得逆變器功率器件實(shí)現(xiàn)ZVS或ZVZCS軟開關(guān)

2 單極性移相控制原理

根據(jù)高頻逆變器（推挽式、半橋式、全橋式）、周波變換器（全波式、橋式）的組合不同，高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器具有6種電路拓?fù)?，其中全橋全波式、全橋橋式電路如圖2所示。

以全橋全波式高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器為例，其單極性移相控制原理，如圖3所示。高頻逆變器將輸入電壓Ui調(diào)制成雙極性三態(tài)電壓波uEF，周波變換器將此電壓波解調(diào)為單極性SPWM波uDC，經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓uo，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uDC為單極性SPWM波，故為單極性移相控制。S1與S4、S2與S3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(180o－θ)/ (2×180o )　　　　　　　　　　　　　 (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

實(shí)現(xiàn)單極性移相控制的方案為：1、將輸出電壓反饋信號(hào)uof與正弦基準(zhǔn)電壓uref比較放大后得到電壓誤差放大信號(hào)ue1，ue1與載波uc比較后得到信號(hào)k1，k1下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S1、S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2、將ue1反極性信號(hào)ue2與載波uc比較后得到信號(hào)k2，k2下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S2、S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；3、將載波uc下降沿二分頻、反相互補(bǔ)后分別得到功率開關(guān)S5（S6）、S7（S8）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

在逆變器穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流iLf連續(xù)時(shí)，一個(gè)高頻開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為六個(gè)開關(guān)狀態(tài)（以u(píng)DC>0時(shí)為例），如圖4(a)～(f)所示。圖4(a)、(b) 、(d)、(e)和圖4 (c)、(f)可分別用圖4(g)、(h)所示等效電路表示，其中r為包括變壓器漏阻抗、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效阻抗。

由于開關(guān)頻率Fs遠(yuǎn)大于輸出LC濾波器的截止頻率和輸出電壓頻率，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓uo可看成恒定量。圖4(g)所示等效電路的狀態(tài)方程為

3 雙極性移相控制原理

高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器雙極性移相控制原理（以全橋全波式為例）,如圖5所示。輸出電壓反饋信號(hào)uof與正弦基準(zhǔn)電壓uref比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到誤差放大信號(hào)ue，ue分別與極性相反的兩個(gè)載波信號(hào)uc1、uc2比較后，經(jīng)上升沿二分頻，再按輸出濾波電流極性選擇導(dǎo)通，得到開關(guān)S5、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。開關(guān)S7、S8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別與S5、S6的信號(hào)反相互補(bǔ)，并且有換流重疊時(shí)間（圖中未畫出）。將載波信號(hào)uc1二分頻后得到開關(guān)S1和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反相后得到開關(guān)S2和S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

讓周波變換器的功率開關(guān)S5與S7（S6與S8）之間存在換流重疊導(dǎo)通時(shí)間、S5與S6（S7與S8）按濾波電感電流iLf極性選擇導(dǎo)通，從而使得該控制方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、周波變換器換流重疊期間實(shí)現(xiàn)了變壓器漏感能量的自然換流，實(shí)現(xiàn)了功率器件的零電流開關(guān)；2、實(shí)現(xiàn)了濾波電感電流的自然續(xù)流；3、iLf極性選擇信號(hào)的引入避免了換流重疊期間周波變換器中的環(huán)流現(xiàn)象；4、每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩次交流側(cè)的能量回饋實(shí)現(xiàn)了逆變橋所有功率器件的零電壓開通[5]。

功率開關(guān)S5、S6與S1、S4（S7、S8與S2、S3）之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均有相位差θ，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的共同導(dǎo)通時(shí)間為Tcom，見（1）式。由于移相角θ按正弦規(guī)律變化，且輸出濾波器的前端電壓uDC為雙極性SPWM波，故稱為雙極性移相控制。在穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流iLf連續(xù)時(shí)，一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)可分為四個(gè)開關(guān)狀態(tài)，如圖6(a)～(d)所示。圖6(a)、(d)和圖6(b)、(c)可分別用圖6(e)、(f)所示等效電路表示，其中r為等效阻抗。

4 原理試驗(yàn)與仿真

4.1 單極性移相控制

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=270V±10% DC，輸出電壓Uo=115V/400Hz AC，額定容量S=1kVA，開關(guān)頻率Fs=50kHz，變壓器匝比N1/N2=25/20，濾波電感為0.5mH，濾波電容為2uF。

單極性移相控制逆變器原理試驗(yàn)波形，如圖7所示。圖7（a）為變壓器原邊繞組電壓uEF波形，變壓器電壓是高頻交流脈沖波；圖7（b）為周波變換器功率開關(guān)S6B的驅(qū)動(dòng)電壓和漏源電壓波形，實(shí)現(xiàn)了ZVS開關(guān)；圖7（c）為輸出濾波器前端電壓波形uDC，是單極性SPWM波；圖7（d）為輸出電壓波形，其有效值為115V，頻率為400Hz，波形光滑、失真度低。

4.2 雙極性移相控制

以全橋全波式電路為例，輸入電壓Ui=270V±10% DC，輸出電壓Uo=115V/400Hz AC，額定容量S=1kVA，開關(guān)頻率Fs=50kHz，變壓器匝比N1/N2 =22/22，變壓器漏感Ld=5uH，濾波電感為1mH，濾波電容為4.4uF。圖8為其仿真波形（iLf>0時(shí)，iLf= iA+iB），從中可見：1、前級(jí)逆變橋功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS軟開關(guān)（參看開關(guān)S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs3和漏源電壓uds3）；2、后級(jí)周波變換器功率開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷，是ZCS開關(guān)（參看開關(guān)S5、S7的漏源電流iA、iB和驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs5、ugs7）。

雙極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器原理試驗(yàn)波形，如圖9所示?？梢钥闯?，在輸出濾波電感電流過零點(diǎn)，輸出波形存在畸變，這是由于周波變換器功率開關(guān)的控制信號(hào)里加入了電流極性選擇信號(hào)。

6 結(jié)論

為克服高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器存在的電壓過沖現(xiàn)象，本文提出和研究了單極性、雙極性移相控制策略。采用單極性移相控制，周波變換器功率器件可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)；而采用雙極性移相控制時(shí)，前級(jí)逆變橋可實(shí)現(xiàn)ZVS，后級(jí)周波變換器可實(shí)現(xiàn)ZCS軟開關(guān)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了兩類控制策略的可行性。