（电力电子与电力传动专业论文）一种三相逆变电流源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew e i g h ta n dv o l u m eo ft h ep o w e re l e c t r o n i c s e q u i p m e n tw i l lb em i n i s h e d g r e a t l yb yu s i n gs w i t c h - m o d ep o w e ra m p l i f i e ri n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ll i n e a rp o w e r a m p l i f i e r t h i sp a p e rp r e s e n t sac o n t r o l l a b l ea n dp r o g r a m m a b l et h r e e - p h a s ea ec u r r e n t s o u r c e m o d u l e ，w h i c hc o n s i s t so fac u r r e n td o u b l e rh a l f - b r i d g ec o n v e r t e ra n da t h r e e p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e r at h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ri sp u tf o r w a r da f t e rt h e d r a w b a c ko ft h et h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t ht h es p l i td el i n kc a p a c i t o r si s a n a l y z e d ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，c u r r e n ts o u r c em o d e la n dan e wc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ef o u r t hl e g a r ed e t a i l e d t h e h a l f - b r i d g ew i t hc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e ri s v e r y s u i t a b l ef o r l o w v o l t a g eh i g h c u r r e n to u t p u tc o n v e r t e ra n dc a nm i n i m i z et h ev o l u m eo ft h e c o n v e r t e ra n di m p r o v et h ep o w e r d e n s i t yw i t hi n t e g r a t e dm a g n e t i c st e c h n o l o g y t h e s t e a d yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h el e a k a g em a g n e t i s mt ot h ec o n v e r t e r u n d e rc c m ( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e ) a r ea n a l y z e di nd e t a i l a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es a t u r a b l ei n d u c t o ri si n t r o d u c e da n da t o p o l o g yo f t 1 1 er i p p i e f r e ec i r c u i ta tt h e o u t p u ta n d i t sw o r k i n g p r i n c i p l e a r e p r o p o s e d i i 浙江丈学硕士学位论文 第1 章概述 1 1s i 言 电源技术尤其是开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各 业。电力电子技术是电能的展佳应用技术之一，当今电源技术融合了电气、电予、 功率集成、控制理论、材料、电磁兼容、热工、封装等诸多学科领域。随篝现代 信息技术革命，计算机和通讯越来越强大，不仅绘电力电子技术提供了广阀的发 展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着人们生滔质量的挝裹，怼瞧予产 品提出很多更藤的要求。赢频西关惫源工作黠，产生了大璧斡逛磁干扰，严重翡 甚至造成电源本身及其经设备黪不燕常羔终，缢蓠静电滚在镁臻嚣尊囱魂两注入大 塞蛔瀵波，造成电阚靛污染。餐界各国纷纷对电源产瀑提密了不葡要求并翻定了 一系列翡产品规范。只有满足产晶麓范尤其怒安全和电磁兼容方面的规范的才能 够进入市场，如欧溯的c e 标准，托蒺地区的u l 或c a s 认证。随着经济垒球化 的发袋，满足阐际舰范的产品必然熊带来巨大的经济利益。 电力电子器件是开关电源发展的熏要支撑。在目前功率变换器中功率 m o s f e t 和i g b t 是应用最为广泛的。功率场效应管由于单极性多子导电，显著 减小了开关时间，因而在高频开关电源领域倍受瞩目。降低通态电阻是m o s f e t 发展的主要方向，i n f m i o n 公司最新开发的c o o l m o s t 川，引用等效漂移区，蠢 效减小了导通电阻。i g b t 器件一直追求赢耐压、大电流、蔚速、低撼和厦降、 蔫可靠性、低成本等指标，n p t ( n o n - p u n c ht h r o u g h ) 型豹i g b t t 2 5 】逶避对鼙 晶硅壹接避行燕子注入技本，合理逖控章掺杂浓度，豢l 造臻一馨孛高速、低攘尾电 流、正涅度系数，墨具鸯菇鹣抗电热冲击能力静新垄优质的i g b t 。它的优点在 于t ) 在裰藩煞压降时，n p t 院p t 黧关断簿间短，关断损耗小；2 ) 正温度系数 饱洋鼙垂降，具有m o s f e t 特性，容荔并联；3 ) 特别离的骚固性。 s i c 器件是最有发展潜力的器件。由于禁带宽( 3 3 e v , 是硅的3 倍) ，结电压 高，适合制造场控器件。s i c 材料耐压是硅材料的1 0 倍，导热率是硅材料的3 倍，导通电阻是硅器件的1 2 0 0 ，工作结温可以达2 0 0 度。目前s i cs c h o t t k y 二 极管反向漏电流小于o 1 m a m m 2 ，几乎没宥反向恢复时间。s i c 材料制造的半导 体器件对电力电子电路将起罄革命性的作用。 l 浙江大学硕士学位论文 磁元件是电力电子电路中不可缺少的部件，在开关电源的设计与电磁兼容方 面占据重要的位置。磁技术的发展带动了电力电子技术的进一步的发展。目前磁 技术发展趋势主要体现在以下几个方面2 3 ：1 、高频化。提高开关频率可以显著 降低变换器整体的体积和重量，现在开关元件已能够胜任高频工作，而频率提高 必然加大了磁元件的损耗，如何找到适应高频工作的磁芯材料成为关键。2 、平 面化。为了满足便携电源和板载电源低截面化，要求磁件高度降低。平面化的磁 芯具有较大的散热面积，降低了磁件热点到表面的热阻，从而能够提高功率密度。 3 、集成化。磁件集成技术发展很快，主要有两个含义：一是多个磁元件集成在 一个铁芯上；二是磁件与线路板之间的集成。4 、阵列化。传统磁件为块状结构， 阵列化将磁件结构离散为分布式结构，使传统的磁件集中发热变为阵列均匀发 热，并大大增加了散热面积，从而提高电路的功率密度。5 、混合化。为了实现 电力电子模块的高功率密度，降低电路的分布参数对电路高频化的影响，把磁件 与开关器件、二极管、电容等合成制造在一起，消除连线带来分布参数的影响。 可以通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕组材料做在同一块硅基片上。 电力电子电路研究主要包含了a c d c 、d c d c 、d c a c 、a c a c 等电路， 电路拓扑是电力电子电路研究的主要内容。在基本电路拓扑的基础上人们也衍生 出了很多电路，如组合变换器、三电平及多电平变换器、矩阵变换器等。 a c d c 变换器主要应用在移动电话、蓄电池等的充电器；笔记本的适配器； p c 机及服务器的开关电源；d c d c 变换器的前置调节器等。现在为了满足网侧 电流谐波含量的要求，一般a c d c 都要求有p f c 功能。p f c 技术发展也比较成 熟，其中b o o s t 变换器由于有输入电感，在实现p f c 电路中有着独特的优势。 而实现a p f c 有电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制等方法。a p f c 电 路不仅提高了功率因数，治理了电网的谐波污染也提高了电源的整体工作效率。 d c d c 变换器中拓扑繁多，也是研究的热门。d c , r d c 变换器主要用在通信 领域，大部分的产品已经实现模块化。d c d c 变换器追求高的功率密度和高的 可靠性。因而采用了最佳工作频率、同步整流技术、软开关技术等。高功率密度 的a c d c 变换器和d c d c 交换器与电路拓扑、开关器件性能、无源元件性能、 封装技术等都有很大关系。随着数据处理系统的速度和效率的日益提高，低压大 电流d c d c 正追求更低的电压、更高的输出电流、快速的电流变化率。同步整 浙江犬学硕士学位论文 流b u c k 电路利用低压m o s f e t 代替了肖特基整流管从而提高效率和功率密 度。但由于滤波电感取得比较大，因而电流变化率不高。准方波b u c k 电路输 出滤波电感远远小于同步整流b u c k 电路，而且其开关管均可以实现零电压开 通，但由于滤波电感减小使输出电流纹波很大，增加磁滞损耗。开关管电流有效 值增大，通态损耗增加。在准方波b u c k 电路的基础上通过交镄并联技术，合 理安排变换器的控制脉冲，可以明显减小输出电流纹波，同时能满足魄路静态靼 瞬态变化的要浆。浚电路不仅能够减小输出电流绞波也g 减小输入电流纹波。 j d d a c 也是毳 究的热门，缀多震要交滚埝撼的场合郯霉要逆变嚣，u p s 是 遂变嚣应嬲鲍主要场合。耩式邀路是遂变器簿基本拓羚，不嗣予d c d c 交换器， 逆变嚣遣求懿是输癌波形髂品羧，兔瑟采爝多电平交换嚣输密多个电早叠抽，谐 渡含羹低，滤波容易，波澎质誊商。 p w m 控镧取代相控方式成为现在电力电子电路的主流控制方式。很多集成 的p w m 控制芯片，使用起来十分方便。在逆变器中，p w m 控制的逆变器也取 代了方波逆变器，p w m 逆变电路兼具联控和频控功能，并且能减低输出电压的 谐波含量。由予开关变换器的强非线性，以及它具有的离散和变结构的特点，负 载性质也是多变的，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，所有这些使开关 变换器的控制和控制器的设计较为复杂。一毖掰的控制方法，如自适应控制、模 糊控剑、神经网络控制以及各秽调制策嗡在舞关魄源中的应用，已号l 超人们的注 意。 电漉型控铡及多拜控制汪在歼关毫滚中褥至g 较广泛静应用。耄荷按制、莘溺 控制、 重控制、d s p 控割等援术熬歼发及裰应专用集成控翻芯片的研嗣，使汗 关电潦动态性髓有很大的提高，电路氇大福简纯。 高可靠性怒电力电子产晶的最基本要求。轻、薄、短、小是用户对它的外在 要求。因此电力电子产品不断追求商效率、高功率密度、低价格等以满足不同用 户的各种需求。模块化可以照著提高电力电子产品的可靠性，简化了生产和使用。 模块化也便于用户对产品实行并联、串联和级联。现在采用先进的封装工艺，使 得一些小型开关电源实现了元件化，大大简化了非电源工作者对用电线路的设 计。智能化便于使用和维护，在很多秃人值守购条件下实现正索工终、故障斑急， 通过鼹络接口可以远程监视电源的运辱状况，计算规故障谗录携够器现发生数鼯 浙江大学硕士学位论文 时的数据和波形，可以帮助工程技术人员分析发生故障的原因，显著地提高了工 作效率。 1 2 课题研究的背景 电力电子变换器的数字控制目前已有很多的文献报道，虽然数字控制极大地 简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度，但由于数字变换器 在实际使用中还有许多及待解决的问题川，如：变换器开关动作对采样的严重干 扰；检测的量化误差导致控制精度显著下降；高速运行下数字化脉宽调制时间分 辨率的下降；开关功率变换器数字化的数学模型不够深入等。因而在很多实际应 用的场合中，往往更多的使用模拟控制和数字界面。 厂： 一j 曲隶惭十同啦i 电压签 人盟 ：! ：广1 圳牛服人凹聆i 机通讯接口 片 界 机 一! 竺卜一功率放大回路i 电流辅 面 控 制 t 电 路 + 一 检测回路巴一 l 输出打印 出 出 图1 1程控电源的结构图 程控电源在很多的场合得到应用。在现代通讯、仪器仪表、计算机、医疗仪 器、工业自动化、电力工程等领域普遍使用电源，许多高新技术需要能够提供高 质量、高效率、高可靠性、高精度的电源并且对电源的电压、电流、频率、相位 和波形提出了高要求，还要求能够对这些参数实行实时监测和精确的控制，尤其 在医疗、仪表、自动测试、校验用交流测试行业更是广泛要求有高精度的三相电 源。各种交流电流表、分流器等标准仪器出厂前需要校验，通常要求准确而又稳 定的交流电源来提供测试。程控交流电源主要有主功率回路、检测电路、波形发 生电路、通讯接口、人机界面、结果输出打印等。通过与计算机组合，形成即可 手动也可自动测试，使用方便灵活。图1 1 是目前程控电源的结构功能框图。其 中主功率回路通常采用功率放大器，由于价格和器件规格等因数限制，加上使用 的灵活性不够，不能满足程控电源中电压电流的诸多组合要求。因而有必要研究 一种灵活的拓扑结构、驱动电路、控制电路，使得功率放大回路能够实现模块化， 浙江大学硕士学位论文 方便移植。 爨羲程控瞧源中豹功率敖大邂路很多都是采翅摸拟鹃功率敖大器，其谯点是 波形的线性度好、稳定度高、失真度小、波形平滑。但它的缺点怒效率低下，发 热量大，严重影响整毂弱工终，潜藏尝试袋瘸电力毫子魏嚣关凌攀敷丈嚣寒教代 传统的模拟功率放大器，降低羧机的体积和重量，实现便携化、现场操作。但电 力电子开关功窭放大嚣瞧子蠢：势存在蓑甑藏于撬严重、绞波系数大等闯蓬瑰使得 这项工作富有挑战性。目前已经出现了集成的脉宽调制功率放大器，器件内部集 成了一个全耩邋变电路、轿臂静驱动线鼯、误差放大电鼹、过流僚护电路、过燕 保护电路等。通常是采用单相全桥电路，在实现单相功放上有明显的优势，它输 出功率大、效率高、可靠性高，失真度小，内部商比较完酱的自我保护功能。但 该器件也有很多的缺点，难戳满足更大媳流和更六电压等级的输燃场合，嫩以实 现三相电压源和三相电流源，控制上也不够灵活。此外程控电源在不同应用场合 对电愿电流竣惑等级要求还缀不一样，囊赛嚣求爨也不大。嚣_ l 毙镑对特定装求豹 程控电源，硬件电路往往要重新选择元器件参数，重新开发、调试。在实现三相 毫滚源邀珏源瓣，运耱集成麴默塞谖割救大器在疲麓上鬟褥不够瑟活。 功率放大网路本身除了需要放大的倍号外，述需要偏篱的直流电源来提供功 率。由于电力宅子接术游发蓑，琥在编嚣惫源大多莱角p w m 鲮d c d c 交羧器， 不仅效率高，而且也可以方便地根据需要来改变赢流电压的偏置饿。传统的模拟 功放在小电流输出的时候，由予电源输黥功率不变，大部分的能囊被功敖本身消 耗了，因而效率低下。而偏置电腿的改变使得传统的模拟功放能够根据自努输出 的要求选择合联的偏鹭电压，搪高了整机的效率。 1 3 课题研究的内容及意义 本论文主要完成一秘适会予程控鹩三楗独立霹漶靛交浚电流源模块。必实现 该电流源，从分析电路拓扑结构入手，寻找一种龠适的电路拓扑，并针对该拓扑 提出一糖戆够蜜魂三褪独立诱节戆第靼揆饕瓣控麓方法。势对毫路鹣王终琢理褪 纹波进行了详细地分析。基于模块化的电源设计思想，设计为逆变器供电的直流 毫压源，详细溺述了整流整流方式半褥交揆嚣在d c m 帮c c m 状态下敕工作橇 理，同时分析了变压器的漏感带来的复位电压和占空比的谣失问题。高品质的开 浙江大学硕士学位论文 关电源不仅要求可靠，而且要满足各项性能指标。开关电源由于开关工作带来了 共模干扰和开关纹波两大难题，阻碍了开关电源的推广应用，本文探讨了其中的 纹波抑制技术。 通过理论分析、仿真，和最终的实验验证，可以看出，通过克服电力电子电 路本身的某些不足，采用电力电子功率放大电路装置能够完成各项电路指标，在 取代传统的模拟功率放大器上有着很大的优势，特别是在减轻体积重量方面，容 易实现微型化和便携化，有利于现场使用。结合微处理器的使用，使得装置本身 容易实现数字化和网络化。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章三相四桥臂逆变器拓扑与控制 2 1 三相四桥臂逆变器 很多实际应用的电源系统会遇到三相不对称负载甚至非线性负载，所以给这 些负载供电的时候往往需要中线，也就是需要三相四线制的输出。通常有这样几 种实现方案： 1 )在三相三桥臂的基础上分解直流母线电容形成中点，这种方法简单易行， 虽然降低了母线电压的利用率，对轻度的不对称负载比较适合； 2 )在输出侧增加中点形成变压器，传统的三相逆变器有三个半桥逆变器构 成，在给刁i 对称负载供电的时候，必须在输出侧接入一个y 输出变压 器，或接入一个中性点形成变压器( n e u t r a lf o r m e dt r a n s f o r m e r 简称 n f t ) 。n f t 是一个变比为1 ：1 的自耦变压器，虽然体积重量小些，但 它的体积重量随着负载不对称的程度而变化的，不对称度越大，它的体 积和重量也越大； 3 )采用三相组合式逆变器。采用三个独立的全桥逆变电路在输出侧耦合成 三相四线制输出。三相能够独立输出，但增加了装置的元件 4 )采用三相四桥臂逆变器。该逆变器是一种新型逆变器，它的特点是体积 小重量轻。第四桥臂的引入使得三相能够实现独立调节，适合三相不对称 负载。 二 到奎i 到童到妄 滤波器 一 e d cc d c l ) ，、，、，、 i 负 【li 。o 。之 到兰到童到量 上j - _ l 载 一旺 l 图2 1 分解母线电容构成的三相四线制逆变器 在三相三桥臂逆变器的基础上分解母线电容构成中点，这类变换器实现了三 相的独立，把三相逆变器分为三个独立的半桥变换器，但是它的缺点也很明显： 1 、母线电压利用率，只及全桥逆变器的一半；2 、为了保持中线电位的平衡，母 浙江大学硕士学位论文 线上的电容容量很大。当三相不平衡时，中线上必有工频电流流过，为研究方便 我们研究单相逆变电路。 在一个开关周期内假设输出电路滤波电感很大，可等效为一个恒流源。母线 上两个电容c i = c 2 = c 。i o 为负载上的电流，假设在一个开关周期内该值不变， 一个开关周期内有两个等效电路，如图2 2 中b ，c 所示。 睡浮盛 ( a ) 单相电路( b ) 上管开通等效电路 ( c ) 下管开通等效电路 图2 2 单相及其开关等效电路 在整个逆变过程中电容c 1 和c 2 流过的电流为 b = 一；l 1 ： ( 2 4 ) i c 22 = 。 因此中线电压波动的幅值可以表示为： “c = 丽i o ( 2 5 ) 对于输出电流为正的情况下可以看出，在上桥臂导通时，电源和电容c 1 向负载 和c 2 提供能量，而在下桥臂导通时，负载和电容c l 释放能量，而电源和c 2 则 吸收能量。所以电容支路中在输出电流大于零的时候能量总是由电容c l 转移到 了c 2 ，而在输出电流小于零的时候则有电容c 2 转移到了c 1 。能量的流动使得 中点电位发生漂移。从下面这个仿真的例子中可以看出一个幅值5 a 的5 0 赫兹 的中线电流在5 0 0 0 u f 的母线电容上引起3 1 8 v 的波动。电压的波动引起两个电 容上的电压平均值不相等。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 母线上中点电压的波动( b ) 输出电流波形 图2 3 单相逆变器仿真波形 上图是对一个半桥逆变电路的仿真波形，从( a ) 这里可以看出中线点的飘 移。三相电路处于平衡状态时，应当没有低频中线电流，当三相不平衡度加大尤 其是三相同相输出的时候，中线上将有低频中线电流，将导致电容上电压的波动 幅值过大，进而无法顺利完成逆变过程，这其中的道理与单相电路是相同的。 而对于非中点电压方案的电路，母线上的电容处理电流纹波的频率为2 ， 而不同于处理基波电流的中点电压方案，所以其电容的选取相对要小。 。 a p l “2 2 0 j g , k a v g 因此，对于中点漂移的问题，如果加大母线电容容量，这对于解决三相轻度 不平衡是有效的，但对于重度不平衡甚至三相同相时，母线电容容量需求将大得 离奇，而不切合实际。 在上述变换器的基础上，采用一个桥臂来取代电容支路，通过开关管来调节 中线电流，这就形成了三相四桥臂逆变器。此类电路可分为第四桥臂带电感和不 带电感两种。第四桥臂带电感也有利于输出中点的配置。 k 剑墨到妄 到妄 到童 滤波器 - 广y 、r 、1 尸一_叫负 =v f i _ ，、，、，、n ll j - 上j - l载 c d 。 到量到基 到基 到妄 旺 l 图2 4不带电感的三相四桥臂逆变器 浙江大学硕士学位论文 卜 s 1 i ： 到量 到墨到妄滤波器 =w f 曼习书负 j _ j - j - ll载 c d c 量啦创童i 到妄l 型基 iq 叫 图2 5 带电感的三相四桥臂逆变器 2 2 三相四桥臂工作特性分析 三相四桥臂三相独立，我们先来分析其中一相的工作原理。单相桥臂与第四 桥臂构成了一个全桥逆变器，其工作原理与单相全桥逆变器有很多相似之处。 盯砷邗f90 f 洲 0 一一儿 ：i i石一品一 ( a ) 双极型s p w m 输出波形 -1 抽 1 -枷 ( b ) 单极型s p w m 输出波形 翮俪勰 ( c ) 三相四桥臂一相输出波形 图2 6 几种逆变电路桥臂问输出电压比较 2 2 1 单相全桥逆变器的纹波分析 s p w m 逆变器得到了广泛的应用，这是因为它有很多的优点：容易实现调 压，调频，调相功能；谐波含量低，滤波容易设计。逆变器工作的载波频率远大 于输出频率时，逆变器输出电压主要包含调制频率及其谐波、开关频率及其谐波、 开关频率及其谐波的边频带口”。在s p w m 逆变器中载波频率非常高，因此低次 谐波群远离基波，给滤波也带来了方便，经过滤波器滤波后，基本上只剩下基波 电压了，这就是s p w m 逆变器抑制输出谐波的原理。可以利用平均值模型o ”， 即将输出电压在一个载波周期中的平均值近似看成输出电压基波分量的瞬时值， 来分析电路的纹波。 在一个开关周期内，母线电压为e 2 ，逆变器工作的调制比为m ，调制比定 义为正弦调制波的幅值与三角载波的幅值之比。在一个开关周期内有： 浙江大学硕士学位论文 i 瓦，0 t d t 虬5 1 一瓦，d t ( b ) 等效模型的方框图 图2 9 电滚滚电路模燮 从等效的模型方框图中可以得到： 争一g o ( s ) = 毛国豇 t ( s ) = o ) + 毛0 ) f 2 。2 3 ) 毛司= 圪和) 嘭 l o ( s ) = v o ( s ) ( r o + 畈) 扶两可淤擦导出电感电流鸯控稍电援之闻静传递函数为： 浙江大学硕士学位论文 盼端：害嵩裳杀 柳 负载输出电流与控制电压之间的传递函数为： 啪) = 端= 砸再意瓦两：s ， 式中玩表示母线电压，而k 表示三角载波的峰值。 由于系统是个三阶的系统，分析和设计都比较麻烦，但有了传递函数我们就 可以利用m a t l a b 仿真工具建立它的仿真模型，通过仿真模型可以方便快速的 知道系统的特性，从而指导进行参数设计。在输出电流的传递函数中，存在一个 负的实极点和一对共轭导极点，尤其是负载为零时，系统在虚轴上存在共轭极点， 采用一般的校正网络都很难消除这对共轭极点，无法从根本上保证系统的稳定 性。而电感电流传递函数中存在共轭的零点，通过计算可以看出他们离共轭极点 很近，相当于存在偶极子，这样就使该系统近似为一个惯性环节，从控制上讲， 必然是一个无条件的稳定系统。关于这一点，可以从图2 1 0 中的根轨迹图中反 映出来。而负载电流传递在增益变大的时候将出现正的极点，导致不稳定。也可 以从电感电流传递函数和负载电流的传递函数的伯德图上看出，在负载电流传递 函数的b o d e 图上，发生了谐振，并且系统产生1 8 0 0 的相移，而在电感电流中， 由于附近零点的抵消，相位则并没有发生1 0 8 0 的相移，而使得系统得以稳定。 b o d e 图的分析也说明了基于负载电流反馈的系统是不稳定的，而电感电流反馈 是稳定的。 ( a ) 电感电流传递函数根轨迹( b ) 负载电流传递函数根轨迹 图2 1 0 系统的根轨迹图 浙江大学硕士学位论文 图2 1 1 负载电流开环频率特性 图2 1 2 电感电流开环频率特性 2 4 逆变器的控制 高性能d s p 芯片的出现及现代控制理论的发展使得数字控制在逆变电源领 域的研究成为可能。神经网络控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、自适应 控制系统等纷纷进入电力电子控制领域，形成了各种各样的数字控制方式叫，如 无差拍控制、滑模变结构控制、模糊控制、重复控制等。然而数字控制也存在着 很多的难点，有些还不成熟，使得在实际应用中还没有普及起来。在电机控制上 发展的二维空间矢量控制在三相三桥臂的逆变器中得到广泛使用。在此基础上发 浙江大学硕士学位论文 震起来的三维空间矢量用予控制三栩西轿臂逆变器，在哥前的文献报道瑟8 蚓中e 经有仿真的结果，可以预料髓着数字处理信母平台的发展和完善，这类控制策略 将实现数字化，实现在各种负载情况下输出电压的调制以及输出地线中点的形 成。 实现电流控制的策略有很多，比较典型的有电流滞环跟踪控制和恒开关频率 的电流控制。滞环控制的特点是系统具有快速的瞬态响应。但电流型半桥电路容 易产生失控，耐且开关频率不固定，所以电路工作可靠性低，输出电压频落特性 差，滤波不好设计。此孙滞环控制由于受到滞环宽度的剑约，在实现小电流竣如 时也存在困难。为了克月涝环控剑的缺点，采用疆定汗关频率约毫漉接割方式。 取样电流与绘定电漉比较魏误差结豢与攥定频率携三燕波毙较，产生p w m 来羧 铡挢譬，也就怒通常说豹s p w m 控潮。 图2 1 3 电感电流反馈鲍m a t l a b 仿真模型 1 i f 浙江大学硕士学位论文 图2 。1 5 增益为1 5 时输出5 0 h z 和4 0 0 h z 的输出电流仿真结鬃 隧2 1 4 玻2 1 5 分剐绘蜒了蛙魄源电感魄滚反馈鹣m a t l a b 接冀模蛩秘镑 真缒果，傍囊结果可以发理当主瞧路豹增益不阕辩，魄漉输鑫存在误差，也就楚 基予电感魄流瓣孵控铡瓣擎环控制不能够采弼浇镶积分谲节赣来消除输出的稳 态误差。 圈2 。1 6 毫涟源双环控豢毫路 毫感电流瓣瓣爱镶静控制方法虽然其有缀抒静稳寇往，僵出于凝镄晌是滤波 电感土鹣电流，孺不是负载上的憩流，导致负载上的电流实际上是汗环的仿真 的绪果电表胡萃环控镧难戳消除稳态误差，因此难以满足精密输出场合的要求。 为诧在电流簿时反馈控制的慕础上再加入电流平均值给定控制来消除电流输出 的稳态误差。这样系统不仅稳定，而且能很好地满足电流精密输出的要求。图 2 1 6 给出了实际电路中单相电流源电流双环控制的原理图。负载电流反馈k i o 环 节包括了比例系数、攘流、滤波等环节。双环控制的原理是；通过增加平均馕绘 定，经过误差比较，p i 调节，与正弦波相乘，产生参考的正弦波，作为电感电 浙江大学硕士学位论文 流反馈的参考，这样再经过p i 调节，与三角波比较后就产生s p w m 波，来控制 桥臂上下管的开通与关断。 2 5 本章小结 通过分析三相四线制输出中点电压方案的缺陷，引出了三相四桥臂逆变器， 该逆变器通过第四桥臂来调节不平衡输出时的中线电流。本章详细地分析了三相 四桥臂逆变器中一相的工作原理和输出纹波，并且针对电流源t 型滤波电路进行 建模，给出了模型电路和系统的传递函数，分析了系统的稳定性。最后给出了适 合电压型电流源电路的电流双环控制方案。 浙江大学硕士学位论文 第3 章倍流整流半桥变换器的分析与设计 3 1 隔离d c d c 变换器与整流电路 3 1 1 几种隔离d c d c 变换器 d c d c 变换器种类众多，本节主要针对几种常用的典型隔离拓扑进行比较。 单端变换器分为正激和反激两大类，而双端变换器主要有半桥变换器、全桥变换 器和推挽变换器。 单端变换器的优点是：1 ) 开关器件少，电路简单 2 ) 不存在直通问题，工 作可靠；3 ) 变压器单向工作，不存在电路不平衡造成的偏磁饱和问题。它的缺 点是磁芯单向工作，可利用的磁通变化量低，因而铁芯利用率低；开关管承受的 电压应力高：传输功率小。反激变换器虽然电路结构简单，但由于变换器以电感 储存与传递能量的形式工作，因而功率很小，只适合小功率场合。正激变换器可 靠性高，应用广泛，但存在磁复位的问题。变压器中通过单相脉动激磁电流，如 果没有去磁环节，剩磁的积累将导致饱和，从而危害电路正常工作。磁复位有很 多方法，最基本的是加磁复位绕组，此外还有r c d 复位，l c d 复位和有源箝位 磁复位等。 在双端功率变换电路中： 1 ) 推挽式电路的开关器件少，输出功率大，但开关管电压高，使用在原边电 压比较低的场合如蓄电池供电： 2 ) 半桥式电路用的开关器件少，开关电压不高，驱动简单，抗电路不平衡能 力强，但输出功率小，使用于中小功率的场合； 3 ) 全桥式电路开关电压不高，输出功率大，但用的开关器件多，驱动复杂， 使用于大功率场合。 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 半桥变换器( b ) 全桥变换器 0 圈 ( c )推挽变换器 图3 1 几种隔离d c d c 变换器 在电力电子d c d c 变换器中半桥电路由于结构简单、控制方便、电路成本 低，因而在很多中小功率场合获得广泛的应用。半桥电路根据控制方式可以分为 对称半桥和不对称半桥。恒频、对称控制的半桥电路不易实现软开关电路。而谐 振式半桥电路【1 町虽然能够实现软开关，但电路结构复杂，控制不方便，还增加了 开关管电压电流应力，特别是软开关有限的工作范围使其在交流逆变中应用比较 困难。采用对称绕组的不对称半桥容易使原边开关管实现零电压e ，减小了开关 损耗，但变压器存在直流偏磁，电路动态调节时容易出现饱和现象，因此可靠性 差。此外还出现了不对称绕组的不对称半桥1 2 0 ，该电路利用两个不对称的副边绕 组，来改善变压器的偏磁，并且能够实现软开关。 恒频对称控制的半桥电路有很强的抗磁芯不平衡的能力，而且磁芯双边工 作，变压器的利用率高。在变压器的设计上，半桥电路也非常简单，不象在正激 电路中，由于磁复位的要求，电路工作频率、最大占空比以及激磁电感之间存在 着约束条件f 3 6 】。半桥电路的缺点就是桥臂会出现直通现象，而且发生直通时，线 路保护很不容易，所以在控制上必须有相应的死区控制电路。因而无法与正激电 路内在固有的无桥臂直通这一优点相比。 在中大功率领域普遍运用全桥电路，全桥的控制方式多样，主要有双极性控 制、有限双极性控制和移相控制方式。目前研究比较多的是移相控制方式，因为 在这种控制方式下，全桥变换器可以实现零电压开关( z v s ) 、零电压零电流开 关( z v z c s ) 和零电流开关( z c s ) 三种软开关电路。 3 1 2 整流电路的对比 浙江大学硕士学位论文 四0 卿 半波整流方式全波整流方式 0 e 珂 倍流整流方式 图3 2 几种整流电路 在变换器中，副边二极管的损耗通常占了很大的一部分，高频整流方式通常 有全桥整流、全波整流、半波整流、倍流整流等。采用的整流器件主要是高频整 流管，超快恢复二极管、肖特基二极管、s i c 二极管。此外还有采用同步整流管， 利用m o s f e t 的低导通电阻来降低导通损耗，提高变换器的工作效率。 高频d c d c 变换器的副边整流电路中全桥整流方式由于管子较多，因此造 成的损耗大，不适合低压大电流的场合。半波整流电路结构简单，比较适合低压 大电流输出。全波整流方式变压器带有中心抽头，输出电压的频率是半波的两倍， 因此减小了滤波器的尺寸。与全波整流方式相比，倍流整流副边绕组匝数相同， 但变压器无需中心抽头，因此给变压器的制作带来方便。全波方式两个副边绕组 交替工作，因此铜线的利用率只有倍流整流的一半。倍流绕组电流是输出电流的 一半，非常适合低压大电流的输出场合。此电路中虽然用到两只滤波电感，但由 于电感中的电流为负载电流的一半，两个电感输出的纹波相互抵消，可以减小输 出电流的纹波，所以其单个电感体积可以做得小些。 此外倍流整流方式特别适用于磁集成技术 1 1 - 1 2 】，大大减小了变换器的体积。 一般可以采用两种磁集成方法：1 ) 两只电感集成在一个磁芯上。两个分立电感 上的电流纹波比较大，因此磁通的变化量比较大，磁芯损耗增加，而导致效率降 低。采用电感集成，如图3 3d e ( a ) 所示，使得磁通在中心磁柱上交叠，抵消磁通 的变化量而减小损耗。2 ) 两只电感和变压器副边集成在一个磁芯上。如图3 3 中( b ) 所示，磁芯上的两个绕组即充当了变压器副边的绕组又充当了两个滤波 电感。这样就大大减小了磁元件的体积，简化了布局和封装设计，因此与其他整 浙江大学硕士学位论文 流方式比较有着很显著的优越性。 囫凰。 o 图3 3 磁件集成示意图 3 2 倍流整流方式半桥电路工作分析 3 2 1 静态特性分析 半桥电路结构简单，控制上主要有对称控制和不对称两种方式，而不象全桥 有多种控制方式。半桥电路变压器设计简单，此外半桥电路具有内在的抗电路不 平衡能力，使得半桥电路在中小功率应用中有着很大的优势。倍流整流( c d r , c u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r ) 电路两个电感交错并联输出，电流纹波可以很小；变 压器副边绕组利用率高，无须中心抽头，而且也有利于磁元件集成。因此倍流整 流方式的半桥电路具有很好的应用前景。本节主要分析变换器在连续工作模式下 的变换器特性。由于副边存在一个电感回路，所以在断续情况下，其工作过程比 较复杂，对称控制下有四种不同的断续工作模式3 1 ，不对称控制模式下有两种断 续模式。 = j 基 c 1 s 1 木 =： 临 c 2 s 2 l 1 主电路拓扑 浙江大学硕士学位论文 i l h i l h i _ 一 、 4 - l 、 【 、 抖 ! d t 铤 _ ， 一 嵋： - 、 i d 2 i i r 、 、 i i 、 、 i d l i t 0 t l t 2。34 1 5t 6 t t t 89 t 0 图3 8 考虑漏感时变换器的关键波形 辑嚣走学醺士学垃论文 ( a ) t 1 t 2 ( c ) t 3 t 4 ( b ) t 2 t 3 ( d ) t 4 - t 5 ( e ) t 5 - 憾 图3 9 倍流整流电路各阶段等效电路图 第1 阶段( t l - t 2 ) ：s 1 荚断之前，整流管d 2 导邋，d l 截止。l l 上的电流线 性上升、l 2 上的电流线性下降。t l 时刻，开关管8 l 被关断，原边电流f 。不能突 变，该电流对上管结电容充电，下管结电容放电，此过程时间很短，原边电流可 瓣成恒流慰m o s f e t 结毫察充电，其充电时阗为： t 2 - ；孕( 3 1 6 ) ；_ 2( 3 f p 第2 阶段( t 2 t 3 ) ：在t 2 时刻下管结电容放电到零，s 2 体内二极管爵通，由于 魏瓣副透掰+ - - 掇管续流，裂透绕缀电歪梵零，溪叛变压器豢迭电莲瞧为零。反 压加在原边漏感上，原边电流线性下降，有 浙江大学硕士学位论文 告= 乞鲁 第3 阶段( t 3 一“) ；续流完毕后，结电容由电源迅速充电到手，副边两个二极 管处于续流状态，电流= f d ：= ( 0 。+ 0 ：) 2 ，而 一旦：生一旦：垃 上，l a t 0 2 a t 第4 阶段( t 4 t 5 ) ：t 4 时刻，s 2 开通，此时副边续流没有完毕，副边电压仍为 零，所以原边电压全部加在漏感上，原边电流从零开始反向增加，此时原边不足 以提供副边能量，直到t 5 时刻原边电流上升到副边电流折算到原边的电流，此 时d 2 关断，副边才开始出现电压，这段时间正是占空比丢失的时间。如果不考 虑滤波电感上的输出电流纹波，折算到原边的电流为出= 等等。丢失的时间为： 扯f 5 一f 4 = l 卷 ( 3 1 8 ) 所以 f ：坐盘 (319)att t 。r m 、 第5 阶段( t 5 - t 6 ) ：t 5 时刻，副边出现电压，此时电源向负载提供能量，电感 l 2 上的电流线性上升，而电感l 1 上的电流继续下降。 到了t 6 时刻s 2 关断，开关周期过半，下半周的分析与上半周分析类似。 图3 8 是电路仿真的结果波形，( a ) 是下管驱动波形、变压器原边电流波形和 下管漏源之间的波形。( b ) 是驱动波形、两个滤波电感上的电流波形和整流二极 管上的电流波形。从结果波形看出，仿真结果和理论分析基本吻合。 浙江大学硕士学位论文 一+ + 一。1 厂厂弋弋。广l 。一 ( b ) 圈3 8 仿真波形 通过以上分析可以看出。变压器漏感主要带来了两个问题；复位电压和占空 比的丢失。复位电压的存在，使得我们在设计电路最大占空比的时候，必须进行 限制，以便留出复位电压时间。在t 4 时刻，照然s 2 已经开通，但是在变艇器剔 边上弗没有出现电压，这断时间正是损失的时间，损失了一部分占空比，占空比 的丢失为： = 惫= 惫半 z 疑占空沈丢失酌公茹= 我们可戳看宙，输崮电流的灞加和频率的提高都会带来 占空眈静丢失。有效占空比的丢失使得变换器在薰载工作时会出现很多的问题， 比较突出的是会导致电路开环工作，因为电路输出功率大，而电路中的占空比魁 有个最大值的，电流输出的增大导致最大占空比下也没有达到闭环输出电压的要 求，因此电路工作在开环状态下。减小占空比的丢失，只有减小漏感，而没有其 他有效的方法。所以在设计电路尤其是变压器的参数时，必须降低变压器的原副 边的匝比来弥补占空比的丢失，然而提糍副边匝数势必增加剡边蹩滚管电压成 w 飞| | 、 一 一一 螂 一 一 。pjr：l _ _ m ；1 j d；| 吐工。 一 一 一 妇 一 r 一 0 = = 一一厂k 一 一 l 1 盥 f ：一 浙江大学硕士学位论文 力；降低原边匝数，不仅带来变压器饱和的问题，而且增大了原边的激磁电流， 增加了开关管的电流应力。所以在饶制变压器的时候应该设法减小漏感。 通过对倍流整流半桥电路的分析可知，当我们把电路中的变压器去掉时，把 变压器变比的影响折算到电源输入侧，就可以发现倍流整流电路在本质上相当于 两个控制脉冲相差1 8 0 度的b u c k 变换器并联。这可以从下图的演化中看出， 只不过另一个b u c k 电路的开关管的位置在电源负端，这个并不影响电路的工 作过程。这样对于我们设计控制电路有很大的帮助，因为b u c k 电路是我们所 熟悉的。不管是状态空间平均法还是开关网络法，得到b u c k 变换器的小信号 模型都是一致的，当忽略滤波电感电容的寄生参数时，b u c k 变换器在连续工作 状态下的传递函数为： v,j舻。vo忑1d dl c s 2 ( 3 2 1 ) = o + 三s + l 月 = d 三了一 ( 3 2 2 ) v d = 0 l c s 2 + 兰s + 1 。 r 研f 图3 9 倍流整流电路的演化 3 3 倍流整流半桥变换器的参数设计 倍流整流的半桥变换器由电网输入2 2 0 v + 2 0 ，5 0 h z + 5 ，输出等级规格 为6 0 w 2 0 a 。倍流整流电路为电流源供电，而电流源在使用的时候会有大电流冲 击实验的要求，因此要求d c d c 变换器的变压器瞬时能够提供大功率。采用两 付磁芯不仅提高了变压器输出功率的能力，而且也使得变压器有足够的窗口面 积。本次设计的变压器由两付e e 4 2 c 磁芯组成，它们之间采用原边串联而副边 浙江大学硕士学位论文 并联的方式。这样做一是降低了原边变压器的工作电压，减小了变压器饱和的机 会。二是副边并联减轻了单个变压器副边输出负担。 图3 1 0 倍流整流半桥实验电路 3 3 1 主电路参数设计 3 3 1 1 输入整流桥 变换器的输出功率设计为1 2 0 0 w ，而变换器的效率为玎= 9 0 ；则输入功率 圪= p o 。_ = 1 2 0 0 0 9 = 1 3 3 3 w 所以输入整流桥电流的有效值为 最2 2 0 = 6 0 6 a 在实际使用中，考虑电流的足够裕量和器件型号等级，选用k b j l 5 0 8 g ( 1 5 a 8 0 0 v ) 。 3 3 1 2 滤波电容的选取 滤波电容的容量和输出功率的大小有密切的关系。由于输入级没有p f c 电路， 电容选得大，输入电流的畸变率高，而容量低又会导致输入纹波变动范围大。 根据经验公式 c = ( 3 5 ) r j o r 2 = 5 1 0 m 1 3 3 3 2 8 0 2 = 8 5 0 u f 是输入电压的平均值，t 是滤波后的纹波频率。而在实际使用中结合半桥输 入结构，采用四个1 0 0 0 u f 、耐压为2 0 0 v 的电容两并两串。同时为了增加电解 电容的寿命，降低开关电流脉冲