（电力电子与电力传动专业论文）高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现.pdf

a b s t r a c t t h eh j g hf r e q u e n c yp u l s ed cl i n ka e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e ru s i n gh i g hl i n k a n ds o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yc a l lr e a l i z eh i g hp o w e r d e n s i t y ，h i g hr e a l i b i l i t y ，h i 曲 e f f i c i e n c y ，g o o dt r a n s i e n tr e s d o n s e ，l o wa c o u s t i cn o i s e 。t h i sd i s s e r t a t i o nd o e st h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s e s 。s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f t l l ea s i o no p e r a t i o n p r i n c i p l e c o n t r o ls t r a t e g ya n dp a r a m e t e rd e s i g n 。 t h ed i s s e r t a t i o n e x p o u n d sc o m p r e h e n s i v e l y o nt h e d e v e l o p m e n t a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f a s i ，i t a l s od i s c u s s e s t h e h i g h f r e q u e n c y l i n k t e c h n o l o g y 。 t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h ea s ia l ea n y l a s i s e di nd e t a i l e d ，t h eo p e r a t i o n m o d eo f l ei n t e r l e a v e da c t i v ec l a m pf o r w a r dc o n v e r t e r ，t h r e es t a t e sd p m c u r r e n t h y s t e r e s i sc o n t r o l ls t r a t e g yo f t h e i n v e r t e ra l ed i s c u s s e d 。t h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss c h e m e i sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n 。 p a r a m e t e r sd e s i g no fi n v e r t e ru s i n gt h r e es t a t e sd p m c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l s t r a t e g ya r er e s e a r c h e d 。1 1 1 ed e s i g nm e t h o d s o f t h ep a r a m e t e r ss u c ha si n p u tp u l s e s a m p l i n gf r e q u e n c y ，h y s t e r e s i sw i d t h , f i l t e r ，v o l t a g er e g u l a t o r a n dc u r r e n tr e g u l a t o r a r eg i v e n 。 t h es i n g l e p h a s eh i g l lf r e q u e n c yp u l s e d cl i n ka s io f2 7 v d c 115 v a c ( 4 0 0 h z ) 1 k v ai sc a r r i e do u t 。 k e y w o r d s ：h i g hf r e q u e n c yl i n k ，s o f t s w i t c h i n g ，c u r r e n th y s t e r e s i s c o n t r o l ，a s i d p m 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先论述了航空静止变流器电路结构的三个阶段及特点，指出了它的发展 方向，然后根据电路特点将高频环节逆变技术分为四类并分别加以论述，并给出了 一种新颖的航空静止变流器电路拓扑，即高频脉冲直流环节航空静止交流器。最后 介绍了本文的主要意义与研究内容。 1 1 航空静止变流器的发展与现状 航空静止变流器( a s i ) 是利用功率半导体器件，将飞机主电源2 7 v 或2 7 0 v d c 变换成恒压恒频交流电1 1 5 v 4 0 0 h z 或3 6 v 4 0 0 h z 交流电的一种静止变流装置，作为 飞机的二次电源使用。由于飞机供电系统的特点是使用飞机机壳作为电源地线或公 共线，这样a s i 的输入电源地线和逆变器输出端交流负载的地相连，为此，a s i 的 输入输出之间必须有变压器隔离。 随着功率半导体器件的发展，a s i 正逐步取代旋转变流机，欧美一些先进国家 早在八十年代就做到这一点。a s i 的性能、体积、重量、效率、可靠性及其它电性 能方面均优于旋转变流机。静止变流器广泛用于以直流发电机、化学能蓄电池和太 阳能蓄电池为主电源的领域，如飞机、卫星、宇宙飞船和导弹等飞行器；计算机、 卫星通讯及医疗用电源要求不间断供电，也需要用静止变流器与蓄电池组成不间断 电源u p s 。对静止变流器的基本要求包括以下几点： 电能质量要求：输出频率稳定，输出电压稳定，动态性能好，效率高，输出 正弦波失真度小，对用电设备电磁干扰小。 使用要求：可靠性高，成本低，维护方便，体积重量小。 随着新功率器件的不断出现，新的电路拓扑的不断涌现及控制方式不断发展， 航空静止交流器也在不断地发展。航空静止变流器经历了三个发展阶段：方波逆 变器式电路结构；升压b o o s t 变换器与阶梯波合成逆变桥组合式电路结构：单 端反激f l y b a c k 变换器与正弦脉宽调制s p w m 逆变器组合式电路结构。 1 1 1 方波逆变器式航空静止交流器a s i j m i 】 。2 “： 1 ) 1 1哩 图l - i 推挽逆变器式方波a s i 输出波形为方波的逆变器称为方波逆变器，通常有推挽式逆变器和桥式逆变器 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 两种。 图卜1 是推挽逆变器式方波a s i 的电路原理图。如图所示，它由推挽式逆变器 和输出滤波器构成功率管s ，、s 。开关频率各为4 0 0 h z 。开关频率为4 0 0 h z 的推挽 式逆变器将2 7 v 直流电转变为小于1 8 0 。宽的准方波交流脉冲，经输出滤波器滤波后 输出t h d 较低的正弦波。通过讽整s 。、s ：驱动信号的占空比即可实现谲压，该静止 变流器的优点是电路拓扑简洁，但它具有以下缺点： 4 0 0 h z 的低频变压器体积重量大。 输出交流滤波器的负担重，需较大体积重量的输出滤波器。 输出滤波器的损耗较大。 整个系统具有较大的音频噪音。 控制电路采用分立元件，集成度低，可靠性低。 1 1 2 升压b o o s t 变换器与阶梯波合成逆变器组合式a s i 这种形式的航空静止变流器由升压b o o s t 直流变换器与阶梯波合成逆变器组合 而成，电路原理图如图i - 2 所示。 u _- u ab= = c f 【 r rl 图1 - 2 升压b o o s t 变换器与阶梯波合成逆变器组合式a s i 阶梯波的阶高按正弦规律变化，如果每个周期阶梯波的阶梯数为2 n ，则需n 台 单相逆变器或n 3 台三相逆变器。采用移相迭加法，将n 个依次相移n n ，幅值不 同的方波( 或准矩形波) 迭加合成阶梯波，最大限度的将某些低次谐波抵消使合 成的阶梯波的谐波含量很小，从而整套装置的输出滤波器的体积重量小，这是该a s i 的一个优点。另外，该电路具有很高的可靠性。但它具有以下几个缺点： 2 南京航空航天大学硕士学位论文 逆变电路本身无调压功能，输出电压的调节只能靠前级b o o s t 调压。 功率开关n 相变压器的工作频率围4 0 0 h z ，变压器的体积重量较大。 拓扑复杂，需用较多的元器件，整机的体积重量较大。 1 1 3 单端反激f l y b a c k 变换器与正弦脉宽调制s p w m 逆变器组合式a s i u i ，r li 呲一忡叫0 2 d1 1 c 曼兰 i ，舌铅吣二毛 图卜3 单端反激变换器与正弦脉宽调制逆变器组合式a s i 的电路结构 单端反激f l y b a c k 变换器与正弦脉宽调制s p _ l ；i m 逆变器组合式a s i 的电路结构 如图i 一3 所示。 单端反激f l y b a c k 变换器的开关频率为2 1 6 k h z ，它不但用高频脉冲变压器取代 了逆变桥输出端笨重的4 0 0 h z 低频变压器，而且将未经调节的2 7 v 直流变换成稳定 的1 8 0 v 直流电u 。，作为d c a c 逆变桥的输入，改善了逆变器的工作条件。前后两级 均采用电流控制两态调制技术，显著提高了整机性能。d c a c 逆变器采用单极性调 制方式，s 1 、s 3 高频调制互补工作，s 2 、s 4 以4 0 0 h z 的开关频率互补工作。 这种电路具有以下明显的优点： 单端反激f l y b a c k 变换器取代了笨重的4 0 0 h z 输出低频变压器，体积重量大 大减小。大大降低了音频噪音。 输出交流滤波器和整机的体积重量大大下降。 电路前后两级均采用电流控制的两态调制技术和电压电流双闭环控制技术， 电压稳态精度高，动态响应速度快。 易于实现a s i 的并联和模块化。 1 1 4 ：航空静止变流器的发展方向 美国及一些欧洲先进国家对航空静止变流器，投入经费较大，研究处于较高的 水平。他们研制的新一代a s i 采用m o s 功率器件、电流控制、表面安装、二次集成、 高频化等技术，实现了高功率密度，高效率的模块化电源结构，体积小，重量轻， 可靠性高。但具体的电路结构尚不清楚。 国内研制成功最新技术水平a s i ，相当于先进国家八十年代初的技术水平。采 用图卜3 所示的电路拓扑。其特点是采用巨型晶体管、硅铁心材料和分立电子器件， 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 开关频率为2 1 6 k h z ，体积重量较大，与国外发达国家研制的新一代a s i 相比有较大 的差距。 a s i 正朝着高功率密度、高变换效率、无污染、智能化的方向发展。这就要求 a s i 必须用高频变压器取代低频变压器，用软开关代替硬开关，即采用软开关技术 和高频环节逆变技术； 1 2 高频环节逆变技术 传统逆变技术利用工频变压器实现输出电压的匹配及输入输出之间的电气隔离， 低频变压器的存在使传统的逆变器存在以下几个缺点： 隔离变压器体积重量大。 输出滤波器的体积重量大。 音频噪音大。 对输入电源电压和负载的波动，系统的动态响应特性差。 如果增加逆变器的频率至2 0 k h z 以上并采用优良的控制方式，能有效地克服 三个缺点但整个系统依然笨重无法克服第一个缺点。要克服第一个缺点， 必须采用高频环节逆变技术，用高频隔离变压器取代低频隔离变压器，以实现逆变 器的电气隔离和电压匹配。高频环节逆变技术克服了传统逆变技术的缺点，显著地 提高了逆变器的性能，因此，该技术引起了人们极大的研究兴趣。 按照能量的传输方向，高频环节逆变技术可分为单向型( u n i d i r e c t i o n a lp o w e r f l o wm o d e ) 和双向型( b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e ) 两类。按照功率变换器 的类型，可分为电压源( v o l t a g em o d e ) 和电流源( c u r r e n tm o d e ) 两种。 1 2 1 单向电压源高频环节逆变技术 陌j怛穗 图卜4 单向电压源高频环节逆变器 单向电压源高频环节逆变技术在直流输入侧和逆变桥之间插入一级完整的隔离 d c d c 交换器( 如正激、半桥、全桥、推挽等) ，用高频隔离变压器在本级d c d c 变 换器中实现电压匹配和电气隔离。在这类隔离变换器中，变压器副边采用二极管整 流，整流后经滤波电路得到直流电压作为逆变桥的输入。由于整流二极管的单向导电 南京航空航天大学硕士学位论文 性，这类逆变器只能从输入电源侧向负载侧传送能量，逆变桥的无功能量无法回馈 到输入电源铡，只能回馈到d c d c 变换级滤波电容中，即电路只具有单向功率流。 图卜4 所示逆变器电路就是采用单向电压源高频环节逆变技术的一个示例。正 激变换器利用高频变压器实现电压匹配和电气隔离，将输入直流电压变换成逆变桥 所需要的直流电压。s ，、s 。、s 。、s 。组成逆变桥，通过一定的控制方式，逆变桥将其 输入电压变换成工频交流电输出。由于d 的单向导电性，电能只能从电源侧流向负 载侧，逆变桥的无功能量无法回馈到输入电源侧。 1 2 2 单向电流源高频环节逆变技术 与单向电压源高频环节逆变技术不同，单向电流源高频环节逆变技术利用隔离 的b u c k b o o s t 类变换器实现逆变器所必须的电气隔离和电压匹配。 图卜5 单向电流源高频环节逆变器 图卜5 所示电路为一种单向电流源高频环节逆交器电路拓扑。s ，为高频开关， s ：、s 。为低频互补开关。输出电压大于零时，s 。高频载波，s ：一直导通，其开关频率 与输出电压频率相同；输出电压小于零时，s 高频载波，s 。一直导通。电能只能从 电源送到负载，无功能量无法回馈。 1 2 3 双向电压源高频环节逆变技术 双向电压源高频环节逆变器主要由高频逆变器、高频变压器和周波变换器组 成。高频逆变器将输入电压变换成变压器原边的高频交流脉冲，高频脉冲变压器实 现电气隔离和电压匹配。周波变换器将变压器副边的高频交流脉冲解调成工频交流 脉冲。工频交流脉冲经输出电压滤波器滤波，滤除高次谐波，得到所需要的工频交 流电。 图卜6 所示一日本制造商利用双向电压源高频环节逆变技术制造的逆变器电路 拓扑。图中s 。、s ：、s 3 和s 。组成高频逆变器，s 5 、d 。、s 。、d 2 和s ，、d 3 、s 。、毗分别 组成两个双向开关，两个双向开关组成的周波变换器能实现高频脉冲的低频解调。 由于双向开关的双向导电性，逆变器不仅能将电能由电源侧送到负载侧，而且能将 逆变器的无功能量回馈给逆变器输入电源，因此该电路能双向传递电能。由于滤波 电路及负载的影响，输出电压与输出电流必然存在不同向的时间。在这段时间中， 周波变换器无法采用源换流，而只能采用器件换流将电流强迫关断。由于变压器副 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 边漏感和输出滤波电感的存在，器件换流将导致很高的电压尖峰，即存在电压过冲。 电压过冲会导致恶劣的后果，必须加缓冲电路以吸收电压尖峰，这就使变换器效率 下降，体积重量变大。 rl 图卜7 双向电流源高频环节逆变器 双向电流源高频环节逆变器由高频逆变器、储能式变压器和周波变换器三部分 组成。与双向电压源高频环节逆变技术所不同的是，其隔离变压器是一个储能式变 压器。图1 - 7 所示电路是由浙江大学黄敏超博士提出的一种逆变器拓扑，该逆变器 采用的就是双向电流源高频环节逆变技术。s ，、s 。、s 。和s 。组成高频逆变器将直流 电源电能变换成脉动的能量储存在储能式变压器的原边，脉动电能通过磁耦合传送 至q 变压器目i 边，由s 。、s 。组成的周波变换器和滤波电容c ，共同作用将副边的脉动电 能变成工频正弦波输出，储能式变压器工作于d c m 模式。由于s 。、s 。的双向导电性， 遂变器能双向传递能量。与双向电压源逆变器相比，该逆变器的电路不仅拓扑简洁， 而且克服了电压过冲的问题。但一方面，电路工作于d c m 模式，电流应力过高：另 一方面，由于储能式变压器实际是将气隙的储能耦合到负载侧，功率大则必然需要 较大的气隙储能。这两方面都需要较大的气隙，变压器必然有较大的漏感，因此该 6 南京航空航天大学硕士学位论文 类逆变器只适用于低功率输出的应用场合。 1 3 高频脉冲直流环节航空静止交流器 图1 - 8 所示电路是南京航空航天大学陈道炼博士提出的一种新颖a s i 电路拓 扑。整个系统由两级级联而成，高频脉冲直流环节和逆变桥分别作为前级和后级。 两级l c 输入滤波器、并联交错有源箝位正激变换器和有源的无功能量吸收支路三部 分组成高频脉冲直流环节。该拓扑具有电路结构简洁、效率高、体积和重量小等优 点。高频脉冲直流环节不但本身能够实现软开关，而且还为逆变桥的软开关创造了 条件。 图1 - 8 高频脉冲直流环节航空静止变流器电路拓扑 由于该变流器输出为正弦交流电压和正弦交流电流，正激变换器输入侧的电流 脉动极大。电流的高脉动必将影响到直流电网及电网上的其他用电设备，因此，必 须精心设计输入滤波器。由l ，、l 2 、c ，、c 。和r 。组成两阶l c 滤波器具有双重功能， 它既能抑制来自直流电网的瞬变量对a s i 的影响，又能将交流器产生的瞬变量和高 频噪音充分衰减，从而抑制变流器对直流电网的干扰。l 、c 和r d 用来抑制电网突 变或负载突变时的滤波器输出的谐振峰值，保证电路安全可靠工作，l 。和c ：提供了 变流器所需要的大部分脉动电流。 并联交错有源箝位正激变换器，一方面利用高频隔离变压器实现了变流器所需 要的电气隔离，另一方面将较低的输入直流电压变换成平均值稳定的高频脉冲直流， 作为逆变桥的输入。正激变换器采用有源箝位支路实现变压器的磁复位，能实现本 级电路的软开关，提高了直流环节的效率。s ，、c ，构成了无功能量吸收支路，吸收 逆变桥回馈的无功能量。同时，它也能吸收逆变桥输入侧的电压尖峰，提高了逆变 挢工作的可靠性。高频脉冲直流环节输出高频脉冲直流，在脉冲的过零时刻进行逆 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 变桥功率管的开关转换，有利于逆变桥功率管的软开关，提高系统的效率。 s 。、s 。、s 。、s 。四个功率管和输出滤波器l f 、c ，组成的逆变桥将直流环节输出的 高频脉冲组合成工频正弦电压输出。逆变器采用三态d p m 电流滞环控制技术。该电 路具有以下几个优点： 效率高：单端正激变换器利用有源箝位支路吸收漏感能量并实现变压器磁复 位，能实现正激变换器功率管的软开关。逆变桥功率管在高频脉冲的过零处开关。 逆变器效率比较高。 体积重量小：该电路实际采用了单向电压源高频环节逆变技术。高频环节逆 变技术的应用，功率管较高的开关频率及系统效率的提高，都有利于减小系统的 体积重量。 动态响应速度快：一方面，电路前后两级自成闭环，逆变桥输入为平均值恒 定的高频脉冲，逆变桥只需对负载的变化进行调节，大大减轻了逆变桥的调控负 担。另一方面，电流滞环跟踪控制的控制策略也具有动态响应速度快的优点。 稳态精度高：电流滞环跟踪控制将逆变桥e h - - 阶降为一阶系统，电流内环具 有高度的稳定性，从而控制电路中电压增益可以做得很高，输出波形的质量高、 系统的动态响应速度快。 1 4 本文的主要意义及主要研究内容 1 4 1 本文的主要意义 本文课题来源于航空基础科学基金、中国及江苏省搏士后科学基金。其意义主 要有以下几点： 高频环节逆变技术是当今功率电子学的一个热点。本课题是高频电力电子学 直流到交流逆变技术的重要内容，有利于发展高频环节软开关逆变技术。 本课题研究的是我国新一代航空静止变流器实现功率器件软开关的关键技 术。其研究成果将对航空二次电源的发展具有重要意义，为开发先进的飞机二次电 源奠定良好的技术基础。 课题研究电流滞环跟踪控制技术。该控制技术的应用。能提高系统的动态性 能和稳态性能，使系统的可靠性大大提高。采用该控制技术的逆变器能较方便的实 现逆变器的并联，因此研究该控制技术也将为逆变器并联的研究奠定基础。另外， 采用该电路拓扑和控制策略可方便的实现三相静止变流器。 相关的技术成果可推广应用到通讯静止变流器4 8 v d c 2 2 0 v 5 0 h z a c 和民用u p s 等工业领域，将会产生较大的社会效益和经济效益。 1 4 2 本文的主要内容 本文研究了高频脉冲直流环节航空静止变流器电路拓扑、控制策略及关键参数 的选择，主要对该电路拓扑进行了详细分析、仿真和原理试验。本文主要内容为以 8 南京航空航天大学硕士学位论文 f 四苹： 第一章绪论介绍了航空静止变流器的现状及发展方向、介绍了高频环节逆变 技术的四类方案并给出了高频脉冲直流环节航空静止变流器的电路拓扑。 第二章对高频脉冲直流环节航空静止交流器的工作原理、工作模态迸行了详 细的分析。对航空静止变流器带不同类型、不同大小的负载时，进行了稳态仿真分 析。并在电源突变和负载突变时，对逆变器进行动态仿真。 第三章是三态d p m 电流滞环跟踪控制关键参数的设计。论述了逆变桥输入 脉冲、滤波器、滞环宽度的选择，并利用m a t l a b 对逆变器双环的控制参数进行寻优。 第四章为单相i k v aa s i 的设计与原理试验。给出了电路构成方案，设计了 原理样机，分析了相关的试验波形。 1 5 小结 a s i 电路结构经历了三个发展阶段，采用单端反激f l y b a c k 变换器与正弦脉宽 调制s p w m 逆变器组合式a s i 是一种颇具特色的合理电路结构。a s i 正朝着高功率密 度、高频率、智能化、无污染的方向发展，正因为如此，软开关技术、高频环节逆 变技术越来越引起功率电子界的兴趣。 高频环节逆变技术能有效降低隔离变压器的体积重量，提高逆变器的功率密 度，降低逆变器的音频噪音。根据电路拓扑可将高频环节逆变技术分为四类，各有 其特点。 高频脉冲直流环节航空静止变流器成功地将高频环节逆变技术和软开关技术结 合在一起。该电路结构由高频脉冲直流环节和逆变桥级联而成，正是利用高频脉冲 直流环节输出的高频脉冲，实现了后级逆变桥的软开关。逆变器采用性能优良的三 态d p m 电流滞环跟踪控制技术。系统具有效率高、体积重量小、电气性能好等优点。 9 高频脉冲直流环节航空静止交流器的分析与实现 第二章高频脉冲直流环节a s i 的分析及仿真 高频脉冲直流环节航空静止变流器由高频脉冲直流环节和逆变桥级联而成。本 章首先论述了高频脉冲直流环节航空静止变流器的工作原理及其控制策略，然后详 细地分析了直流环节的电路核心并联交错有源筘位正激变换器。最后对高频脉 冲直流环节航空静止变流器进行了稳态和动态仿真分析，给出了仿真波形。 2 1 高频脉冲直流环节a s i 工作原理及控制策略 2 1 1 并联交错有源箝位正激变换器 高频脉冲直流环节航空静止变流器电路拓扑如图2 - 1 所示，其实质上是一个单 向电压源高频环节逆变器，只不过逆变桥输入电压是一个高频脉冲直流，而不是恒 定的直流电压。并联交错有源箝位正激变换器将输入电压变换成平均值稳定、输入 输出隔离的高频脉冲，它不仅能利用有源箝位支路实现正激变换器功率管的软开关 并吸收漏感和磁化电感的能量，而且可为后接逆变桥的功率管提供零电压开关条件； 更重要的是，用高频脉冲变压器取代低频变压器，即采用高频环节逆变技术能大大 提高系统的功率密度和动态响应速度，降低系统的音频噪音。功率管s ，或s 。：任一 导通，正激变换器输出高电平，只有当两个主功率管都不导通，脉冲直流环节才输 出低电平。并联交错的两个有源箝位正激变换器的输入电流由负载电流决定，是一 包络线为4 0 0 h z 正弦半波的高频脉冲电流，因此并联交错有源箝位正激变换器不能 采用电流型控制，而只能采用电压型控制。实际电路中，利用u c l 5 2 5 作为有源箝位 正激变换器的控制核心，输出p w m 信号控制s 。和s 。两个功率管。 图2 - i 高频脉冲直流环节航空静止变流器 2 1 2 逆变桥无功能量回馈及其吸收支路 忽略引线电阻和电感电容的e s r ，空载稳态时逆变器滤波电容两端的电压波形 及滤波电感电流波形如图2 - 2 所示。电压与电流存在9 0 。的相位差，在输出波形的 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 半个周期内，有四分之一个周期电压与电流同向，直流环节向逆交桥输送能量，四 分之一个周期电压与电流反向，逆变桥回馈无功能量。当逆变器带载时，电压与电 流的相位差将小于9 0 。，但单相逆变器仍不可避免的存在无功能量回馈。直流环节通 过整流管给逆变桥提供能量，逆变桥的无功能量无法回馈到电源侧，即功率只能单 向流动。如若不采取措施吸收回馈的无功能量，滤波电感回馈的电流必将通过电路 的寄生电容流通，从而产生很大的电压尖峰，危害电路器件，需加无功能量吸收支 路。 图2 - 2 空载时滤波电感电流及滤波电容电压波形 电路中，功率管s 。和电解电容c ，组成无功能量的吸收支路。考虑到寄生的反 并联二极管，s ，实际上是一个双向开关。当逆变桥有能量回馈，或吸收支路两端出 现高的电压尖峰时，寄生二极管导遥，电容充电。当s ，有驱动信号时c ，可放电给 负载。稳态时，逆变器回馈的无功能量只能在吸收支路中流动，如果不计滤波感容 上的e s r 及线路的损耗，电源侧只向变压器副边提供有功能量，有源箝位正激变换 器没有回馈的无功电流流动，直流环节通态损耗降低，电路效率提高。 当s ，开通时，c ，两端电压就加在逆变桥的输入侧，直流环节输出高电平。电路 中s ，遵循比正激变换器主功率管“后开通，先关断”的原则，使s ，在高频脉冲波为 高电平时开关。遵循这一原则，不但可使高频脉冲波避免受到影响，又可实现吸收 管s ，的零电压开关，从而提高效率。吸收管的最大占空比取决于u 。波形，最小占 空比受其漏源两端的击穿电压限制。因为c ，只有在吸收管开通时才可能放电，c ，的 充电而不受限制，如果吸收管的导通时间过短，吸收管两端承受的电压将过高，危 及电路器件。 2 1 3d c a c 逆变器控制原理 为了获得零电压开关，将逆变桥功率管的开关状态转换安排在高频脉冲波u 。 电压为零的时间，这样逆变桥开关器件的开关时刻不仅由某种控制策略决定，同时 要看u 。的电平是否为零。也就是说，在这种情况下，逆变桥功率管的开关时刻在时 间轴上成了些不连续点，因此，控制策略必须采用离散脉冲调制( d p m ) 。d p m 控 制将高频脉冲组合成所需的低频脉冲电压，经滤波器输出。 根据逆变桥的输出电压u 。的脉冲极性，逆变桥控制又分为单极性( 又称三态 d p m ) 和双极性( 两态d p m ) 两种控制方式。双极性控制时，逆变桥对角功率管同时 1 1 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 开通或关断，两组管子互补导通，即一组导通，一组关断，两个桥臂的功率管都为 高频开关。为了避免直通，桥式电路中同一桥臂的功率管设置了死区时间。忽略死 区时间，双极性逆变桥的输出电压为正负交替的高频脉冲，在一个4 0 0 h z 周期中，u 。 只有正脉冲和负脉冲两种状态，因此，d p m 调制的逆变桥输出为双极性可称为两态 d p m 。单极性控制时，一个桥臂上的功率管，在半个周期内为低频互补开关，另一个 桥臂上的功率管高频p 咖调制，高频互补开关。这样，半个4 0 0 h z 周期中，逆变桥 输出电压u 。全为高频正脉冲或高频负脉冲。逆变桥在一个4 0 0 h z 周期中，共有三 种输出状态：正脉冲、负脉冲和零，d p m 调制的逆变桥输出为单极性可称为三态d p m 。 d p m 的控制策略有多种，如线性d e l t a 调制、am 调制、电流调节型调制、 最优离散脉冲调制及滞环电流脉冲调制等。其中滞环电流脉冲调制是一种性能较好 的电流控制型d p m 控制策略，其实质是电流滞环跟踪控制。电流滞环跟踪控制采用 双环控制，外环是电压环，输出电压和基准电压进行比较，得到误差电压，经过限 幅放大作为电流内环的给定。电流内环是一非线性环节，取样滤波电感上的电流得 到电流反馈，电流给定与电流反馈比较放大后，产生的信号经过滞环比较器，在d 触发器输出三态调制的d p m 信号，控制逆变桥上的功率管，使滤波电感上的电流在 略大于滞环宽度的范围内跟踪给定电流的变化。电感电流并不是一个独立的变化量， 而是受电压误差的控制，这就将滤波感容组成的二阶振荡环节降为一阶环节。滞环 电流跟踪控制具有以下优点： 能自动保证滤波电感电流正负对称，无须隔直电容来抑制逆变桥输出电压的 直流分量。 通过误差电压的输出限幅可以限制内环电流的最大给定值，从而可以限制系 统的最大电流，系统具有内在的短路保护能力，系统具有高的可靠性。 易于实现逆变器并联。只需简单地将其中一个误差放大器的输出作为其他并 联的逆变器的的电流给定，电流内环就能保证各并联的逆变器平均分配工作电流。 具有内在的输入电压前馈作用。电源电压变化则滤波电感电流的跟踪速度立 刻发生变化，系统对电源电压变化具有较快的调节速度。 系统具有高的稳态精度和动态响应速度。由于非线性的电流滞环，电流内环 具有高度的稳定性，因此电压环的增益可以做得很高，系统的稳态精度与动态响应 速度大大提高。 1 两态d p m 电流滞环跟踪控制 两态d p m 电流滞环跟踪控制的逆变桥，其输出电压为正负交替的脉冲电压。图 2 一l 所示电路在这种控制方式下，如果采样时刻的电感电流il f i 。+ 6 。滞环比较器翻转为低电平，功率管s z 、s 。( 或 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 其反并二极管) 导通，电感电流下降，到某一采样时刻电感电流i ， 6 。s 。、s 。截止，s ：、 s 。导通，逆变桥输出负脉冲n a b - - - - - 一u d 。，称之为一l 态；当一6 i o - m c c ) 一v 2 ( 2 7 c ) ，则筘位电压u c 基本保持恒定； t = t s t 7 ：t 。时刻u * 2 下降到u 。，d 。开通，d ：、d 3 共同导通期间为i 在副边续流 提供了途径； t = t ，t 。：t ，时刻功率开关s ：开通、d ：导通、d 。截止，变压器t ：开始传递功率； t = t 。t 。：t 。时刻磁化电流il _ 。过零变负，箝位开关s 。实现了z v s 开通； t = t 。t 。：t 。时刻筘位开关s 。关断，l ；与c 。开始谐振，c 。，以负值磁化电流放 电，能量回馈到电网中去，u 。下降； t = t 。o 1 1 t 。时刻功率开关s 2 关断，负载折算到原边的电流i d n 2 n 。和磁化电流 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 对c 。近似线性充电，u d s z 线性上升； t = t l l t l z ：t l i 时刻u d s 2 上升到u 。，d 2 关断、d 3 导通，l 2 与c s 2 谐振，u d s 2 上升； t = t 1 2 t 1 3 ：t 1 2 时刻，u d s 2 上升到u i + u 。，d 。2 开通、l 2 与c c 2 开始谐振，设 f ； ( l m c c ) _ 牝( 2 亢) ，箝位电压u 。基本保持恒定； t = t 。t 。：t 。时刻，u 。下降到u ；，d 。开通，d 。、d 。共同导通期间为i 。在副边 续流提供了续流途径，t ，。时刻功率开关s 。再次开通，开始新的p w m 周期。 l 牵u ：瓣矧 1 5 p 睡5 曼牛c f 2 l 电孵一 q 一p 梦 f 5嚣：宁“2 笋，铩，爹；霉； 南京航空航天大学硕士学位论文 俜 图2 5 并联交错有源箝位正激变换器开关状态等效电路图 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 2 2 3 电路特点 交错并联有源箝位正激变换器具有以下特点： 不需考虑般意义上变换器并联所要求的均流问题，电路实现比较容易。 直流环节的输入电流和直流环节输出高频脉冲的频率提高一倍，有利于减小 输入滤波器与输出交流滤波器的体积重量，提高逆变器的动态性能和稳态性能。 兼顾了直流环节和逆交桥对正激变换器主功率管驱动占空比d 的要求，既提 高了直流环节的效率，又降低了逆变桥的电压应力，提高了逆变桥的效率。 每路正激均分功率，变压器功率低，尺寸小，热应力和开关应力降低，提高 了系统的可靠性。 2 3 高频脉冲直流环节航空静止变流器的仿真分析 为了验证上述高频脉冲直流环节航空静止变流器拓扑的可行性，掌握三态d p m 电流滞环跟踪控制原理从而为系统的设计奠定基础，应用p s p i c e 对图2 - 1 所示拓 扑进行仿真。电路主要仿真参数如下：输入电压为2 7 v d c ，变压器耦合系数等于o 9 9 9 9 ， 变压器匝比n 1 n 2 = l 1 2 ( l 1 l 2 = 8 6 5uh 1 2 6 7 0uh ) 。s 小s 0 2 选甩i r f 5 4 0 ，s ”s - 2 由 压控开关和与之反并联的二极管组成，开关频率各为5 0 k h z ，s ，选用两个i r f p 4 6 0 并 联，开关频率 o o k h z ，直流环节输出占空比为0 8 的高频脉冲，s ，、s ：、s 。、s 。采用 i r f p 4 6 0 ，逆变桥控制策略为三态d p m 电流滞环跟踪控制。滤波电感l ，= o 5 m h 、输出 滤波电容c ，= 2 0 pf 、电流检测电阻r s - o 1 q 、箝位电容c 。c 。各为3 2 l af 、吸收电 容c ，= 1 0 0 t tf ，电路中所有的二极管均自定义。 为了缩短仿真时间，作了如下设定： 并联交错有源箝位正激变换器开环控制，不采用闭环控制或前馈控制，逆变 桥采用闭环控制。 不考虑两阶l c 输入滤波器，吸收电容电压设初值。 电感、电容、变压器、线路理想化，不考虑器件损耗和线路寄生参数的影响。 逆变桥功率管采用压控压源驱动，不须考虑隔离驱动，且不设死区时间。 2 3 1 线性负载稳态仿真 图2 6 所示为航窆静止变流器部分仿真波形。图( a ) 为阻性满载睛况下的仿真 波形，由图可知： 逆变桥四个功率管的驱动信号变频变导通时滴，在输出电压的峰值和过零点 附近，驱动信号频率较低，在输出电压峰值与过零点中间附近，驱动信号频率较高。 输出电压过零点附近除外，电路基本实现了单极性调制。逆变桥每个桥臂在 半个输出周期中为低频开关，在另外半个周期中为高频开关，整个电路基本上按三态 工作。在电压过零处，电路有可能不满足单极性工作条件，电路按双极性调制工作。 在输出过零附近，当逆变桥处于能量回馈时，高频脉冲直流环节输出脉冲不 回零，此时由于无功能量回馈到吸收电容，高频脉冲波输出电压升高。 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 在输出电压的峰值处，续流( s ，、s 。共同导通) 时间短，+ 1 态( s ，、s 。) 或 1 态( s ：或s ，) 时间长，此时u a b 脉冲较密，与此相反，在输出电压过零附近时，续 流时间较长，+ 1 态或一1 态时间短，l i a , b 脉冲较为稀疏；由于续流时逆变桥功率管结电 容无法放电，续流期间高频脉冲波不回零，这时u 。的波形看似频率变低。 输出滤波电感电流i 。r 为一带锯齿脉动的频率为4 0 0 h z 的正弦电流，与电感电 流的峰值相比，电感电流的纹波的脉动量不大，输出电压u 0 比较光滑，输出失真度 较低。在该电路中，高频纹波实际上起了高频载波的作用。 图2 - 6 ( b ) 、( c ) 分别是阻性半载和空载仿真波形，由图可知：在阻性半载和空 载时，逆变器均有好的输出电压波形；当输出负载由空载到满载时，稳态输出电压不 变，幅值都为1 1 5 v ，这意味着逆变器有很好的负载调整率，同阻性满载类似，逆变 器基本按照三态d p m 的控制规律工作。 2 8 u 一。，一一一一 。ui i l 0 0 4 卿砌哪m：i 啪硼唧唧唧嘲i u ： 口s 2s4 。! =；l 圳姗唧删 ：岬哪 e 1s is3 伯包u 一一一 111 1 1 1 u l t tl l l li i i l ll l l l u l _ i l i i m i 憎一 一伯b u + r 一r 一r 一r 一 口u d o 4 b b u 一一一一一，一一一，一，一一一一一一 。p 哪_ 岫唧h 删暇硼脚删删、棚 一，h h v 十一一r 一r 一r 一r 口u 4 b a - - 一- - ，。一 r ；一： 4 8 a + 一：。一r 一r 一r 一r 。 口1 l f 三：譬i i 三三! ：! ：三三= s 二 日s1 b m sz 8 m s3 8 m s日m s 口u 0 ( a ) 阻性满载仿真波形 高频脉冲直流环节航空静止变流器的分析与实现 z h u 一一一一一一一一一一一一一一j 一一一一一一一一一一一一一，一一一一 s l ) 日u 口s2s 4 z b u 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 4 日r u 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 哇日日u z o a z 8 一2 0 日u 口u 们 e 2 彗竺业皇竺 口i l f w 。o 一一 b si sz s 3 b m s哇晌s 口u o ( b ) 阻性半载仿真波形 z 日u 一一一一一一一一一一一一一一一。一一 s 刊脚硼叫：j 岫删舢珊删： 一 口s 2s 。 i =川删删删呲 口s ts 5 蚰日u 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 口u d o z b 口i l f 日s1 b 攒z e m s 3 b i n ：s ：哇b b $ 口u 0 ( c ) 空载仿真波形 - 2 2 南京航空航天大学硕士学位论文 s e l b u 口s2 五 z b u 一一 ；j l8 卿叫 ：删脚 口s is 3 4 1 3 8 u - 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