（电力电子与电力传动专业论文）高频链逆变电源设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no fh f - l i n ki n v e r t e rb a s e do n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n dc o m b i n e dr e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u ea f t e r i n t r o d u c i n gt h ec i r c u i tt o p o l o g ya n dt h eb a s i cp r i n c i r l e so fv o l t a g em o d e lh f - l i n k d c ，a ci n v e r t e r b e g i n n i n gw i t ha n a l y z i n gt h et o p o l o g yc o n s t r u c t e ra n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f v o l t a g em o d e lh f 1 i n kd c a ci n v e r t e r , t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so ff u l l - b r i d g e b i - d i r e c t i o n a lh f - l i n ki n v e r t e ra r es t u d i e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l n l ed y n a m i ca n d s t a t i cr e s u l t so f i m p r o v e df u l l - b r i d g eb i - d i r e c t i o n a lh f - l i n ki n v e r t e ra f ea n a l y z e d 1 1 1 i s e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no ft h et h e o r y 吼嘶s i sa n da r g u m e n t a t i o n t h i sp a p e r e m p h a s i z e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff u l l - b r i d g eb i - d i r e c t i u n a lh f 1 i n ki n v e r t e r , i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i t sb a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 4 0i nd e t a i l d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r et h a tr e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u et a c t i ci sa d o p t e dt oa c h i e v eg o o d d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s a f t e rf i n i s h e dt h ed e b u g g i n g ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t i sa n a l y z e dd e t a l l e d l y , a n dg i v e nt h ec o n c l u s i o n p r a c t i c a le x p e r i m e n tv a l i d a t e st h es y s t e mo fh f l i n ki n v e r t e r al a r g ea m o u n to f d a t aa n dr e s u l t sa c q u i r e df r o mt h ef i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sr e v e a lt h a tt h es y s t e m h a sac o m p a c ts t r u c t u r ea n de x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s k e yw a r d s ： i n v e r t e r h fl i n ki n v e r t e rp h a s e s h i f t e dc o n t r o l c y c l o c o n v e r t e r r e p e t i t i v ec o n t r o lt e c h n i q u e i i 西北丁业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年在我们的周围，正在越来越多的使用各种用电设备，它们或者直接由 5 0 h z 交流电供电，或者由交流电变换的各种不同电压的直流电供电。据统计在 发达国家，电能已有4 0 经过各种变换处理，节能效果达到1 5 - - 4 0 ，而到2 0 1 0 年，将有8 0 的电能需要经过电力电子技术的变换器处理再应用，这其中就包括 将直流电转换为交流电的逆变技术。因此逆变技术在节约电能方面占有重要的位 置。 另一方面，随着用电设备的增多，一些涉及到关键部门的用电设备，如电信 行业、银行业的计算机、报警装置，对电源的可靠性和电源质量的要求也越来越 高。不问断供电设备( u p s ) 应运而生，在国外，计算机供货商已将u p s 随计 算机配套出售。逆变环节是实现u p s 的关键技术，因此研究逆变技术对不间断 供电起着至关重要的作用。 在航空领域，飞机机载用电设备也越来越多，它们对电源的可靠性和质量的 要求更加严格。集中式电源系统在可靠性、通用性、维修性等方面已无法完全满 足要求。具有高功率密度、高效率和低成本的分布式电源系统将逐渐替代集中式 电源系统，研究通用的新型变流器模块对构成三相静止变流器和分布式电源系统 极为重要 4 1 。 逆变电源技术的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带 动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用晶闻管( s c r ) 作为逆变器的开关器 件，称为可控硅逆变电源。由于s c r 是一种没有自关断能力的器件，因此必须 通过增加换流电路来强追关断s c r ，s c r 的换流电路限制了逆变电源的进一步 发展。随着半导体制造技术和交流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出， 相继出现了电力晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( o t o ) 、功率场效应晶体管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 等等。自关断器件在逆变器中的应 用大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高， 从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小， 而且对非线性负载的适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源在 控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的。采用输出电 压有效值或平均值反馈控制的方法具有结构简单、容易实现的优点，但存在以下 缺点：a ) 对非线性负载的适应性不强；b ) 死区时间的存在将使p w m 波中含有 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形出现畸变：c ) 动态性能不好，负载突变 时输出电压调整时间长。为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制方法的不 足，实时反馈控制技术获得应用，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术， 目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有 了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种： ( 1 ) 谐波补偿控制； ( 2 ) 无差拍控制； ( 3 ) 重复控制； ( 4 ) 滑模变结构控制； ( 5 ) 单一的电压瞬时值反馈控制： ( 6 ) 带电流内环的电压瞬时值反馈控制。 与直流一直流功率交换不同，逆变器输出需要接感性负载、容性负载和阻性 负载，输出电压有可能滞后、超前输出电流或与输出电流同相，因而逆变电路需 要在v 0 一i o 平面四象限工作。在i 、m 象限，输出电压与输出电流同向，由直 流输入电源向输出负载提供能量；在i l ，象限，输出电压与输出电流反向， 由输出负载向直流输入电源回馈能量。这说明电路四象限工作，实质要求电路具 有双向传递能量的能力。 逆变电源的种类繁多，可按输出能量的去向、功率流动的方向、输入电源的 性质、输出与输入的电气隔离、功率电路的拓扑结构、功率电路的器件、占空比 的控制方式、控制技术、输出电压电平、输出电压波形、输出电压相数、输出电 压频率以及功率开关的工作方式等方面加以分类：无源、有源逆变，单向、双向 逆变，电压源、电流源逆变，非隔离型、低频环节、高频环节逆变，推挽式、半 桥式、全桥式逆变，s c r 、g t r 、g t o 、m o s f e t 、i g b t 、混合器件逆变，脉 宽调制、脉频调制逆交、模拟控制、数字控制逆交，二电平、多电平逆变，正弦 波、非正弦波逆变，单相、三相、多相逆变，工频、中频、高频逆变，硬开关、 软开关逆变等“1 。 1 2 高频链逆变技术的概念 所谓高频链逆变技术，就是采用高频脉冲变压器替代低频变压器传输能量， 通过提高逆变电源的工作频率来减小隔离变压器的体积，并实现变流装置的一、 二次侧电源之间的电气隔离。 高频链逆变器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧 凑，功率密度和效率高，响应速度快。另外，系统可以工作在2 0 k h z 以上，无音 频噪声，滤波相对容易，并且功率可达k w 级以上。因此，无论在恒压恒频( c v c f ) 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 领域，还是在调频调压( w v f ) 领域都有很大实用价值，它是未来继续研究发展 的一个重要课题1 1 3 1 。 随着高频链逆变技术的不断发展，它的应用范围日益广泛。首先，电信、航 空航天、军事等领域，常常要求供电装置重量轻、体积小、功率密度大和可靠性 高；其次，随着石油、煤和天然气等矿产能源的不断消耗以及环境污染等问题， 使用蓄电池、太阳能电池等作为能源的混合型电动汽车驱动系统日益成为研究热 点，效率和体积是它的首要考虑因素：另外，在建筑行业，常常使用振动棒进行 均匀混合浇注混凝土，这也要求振动棒供电装置体积小、重量轻、使用安全和可 靠性高等；以及u p s 技术的日益兴起和广泛应用。考虑到以上各种供电装置 和负载之间都要解决安全与匹配问题，因此常常需要加隔离变压器。针对上述要 求，需要研究具有隔离变压器的逆变器电路拓扑。高频链逆变技术正是在这种情 况下蓬勃发展起来的。 高频链逆变技术按照功率的传输方向可分为两大类；单向型和双向型高频链 逆变器；如按照功率变换器的类型，还可分为：电压源和电流源两种。现有的高 频链逆交器大多属于电压源高频链逆变器。 单向电压源高频链逆变技术 单向电压源高频链逆变器就是在直流侧和遵变器之间插入级d c d c 变换 器，使用高频变压器实现电压比调整和电隔离，这样就可以省掉体积庞大的工频 变压器，降低音频噪声，其电路结构如图1 - 1 所示。虽然d c d c 变换型实现起来 比较容易，但是存在功率只能单向流动，负载不能向电源回馈能量；三级功率变 换，既使得系统效率低，又使得系统复杂，从而降低了系统的可靠性。 高频 逆变器 - j v _ 、r n 上 高频 1 l 负 j 【 逆变器 t 载 t 图卜1 单向电压源高频链变换器 双向电压源高频链逆变技术 针对单向电压源高频链逆变技术的缺点，文献 3 1 提出了双向电压源高频 链逆变技术，如图卜2 所示。这是一种目前最常用的拓扑结构以实现双向功率传 输。它主要由高频电压源逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成。该逆变 器实现逆变只需要经过两级功率变换，这对提高逆变器的效率和可靠性起到关键 作用。与单向电压源高频链逆变技术相比，它具有更少的功率变换级，降低了变 换器的通念损耗和系统的复杂性，提高了系统的效率和可靠性。 西北上业大学硕士学位论文 第一章绪论 高频 逆变器 j 6 r 、4 n i 1 周波 i l l 负 lt 变换器 t 载 图卜2 双向电压源高频链变换器 双向电压源高频链逆变器虽然能实现功率的双向传输，但这种方案存在固有 的缺点，由于控制输出电压的周波交换器采用了传统的p w m 技术，器件的换流会 打断高频变压器中连续的励磁电流，于是高频变压器漏感中存储的能量会导致高 频变压器和周波交换器之间的电压过冲。由于这个原因，这类方案都需要另外采 用一些缓冲电路或有源电压箝位电路来吸收存储在漏感中的励磁能量“”。 1 3 本文研究的主要内容及意义 本文的题目为“高频链逆变电源设计”，其主要内容为： 1 ) 第一章绪论，简要回顾了高频链逆变技术的产生和发展，并对高频链逆 变技术的概念进行了论述，着重分析了几种具有代表性的电压源高频链逆变技术 的优缺点。 2 ) 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性，首先介绍了两 种全桥双向高频链逆变电路的拓扑结构，其次详细讨论了改进型全桥高频链逆变 电路的原理特性。 3 ) 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真，对改进型全桥双向电 压源高频链逆变器电路进行了仿真，并进行了动、静态特性分析。 4 ) 第四章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器的设计与实现，介绍了逆变 器硬件电路和软件程序的实现方法，对各种参数的计算进行了详细的说明，最后 给出了原理样机的实验波形结果。 5 ) 第五章结束语，对论文的研究工作进行了总结。 本文工作的意义： 在电压型高频链逆变电路中，周波变换器的换流问题成为研究的难点。本文 通过移相控制的高频链逆变电路的拓扑，它将后级的周波变换器换成类似于全桥 的自然换流电路，通过轮流控制开关管，使其对角导通来实现换流的目的，较好 的解决了这个问题。 计算机仿真结果和样机实验结果表明，改进型全桥移相控制高频链逆变电 路，通过自然换流的方式，解决了周波变换器的换流问题，可靠性高，并具有良 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 好的动态响应性能。 高频链逆变器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同特点是电路结构形式紧 凑，功率密度和效率高，响应速度快。相关技术成果可推广应用到交流调压器、 航空二次电源变换器1 1 5 v 4 0 0 h d 3 6 w o o h z 等领域，它是未来继续研究发展的一 个重要课题。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d e a t 逆变器拓扑结构与原理特性 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 本章首先列举了双向d c a c 功率变换器的两种拓扑结构，着重对改进型全 桥双向高频链逆变电路进行了详细的分析，并讨论了移相控制电压源高频链逆变 电路的稳态原理，以及在一个开关周期内的十二个工作模式及其等效电路。通过 本章的研究工作表明，这类变换器具有电气拓扑结构简洁，两级功率变换、功率 密度高，双向功率流，周波变换器实现了z v s 自然换流等优点。 2 1 电路拓扑 2 1 1 全桥双向高频链逆变电路 电压型高频链拓扑主要是全桥逆变电路，下面介绍全桥高频链逆变电路的拓 扑结构，该电路的拓扑结构如图2 - 1 所示： s i l 寄c 啦i 寄 _ j 山_ jl j - u i i 育：s 4 i 寄 _ j 山 j “ l 图2 - 1 全桥双向高频链逆变电路 这类电路拓扑由输入逆变器、高频变压器、输出周波变换器构成，采用直流 一高频交流一低频交流的电路拓扑，利用正弦脉宽脉位调制( s p w p m ，s i n u s o i d p u l s ew i d t ha n dp o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 方式对直流电压进行斩波，由此获得的单极 性s p w p m 波形包含调制波的所有波形信息，但形式上不含低频成分。通过高频 变压器送入周波变换器，后者将s p w p m 波恢复成正弦脉宽调制波( s p w m ) ， 经过低通滤波器滤出光滑的正弦波信号。输入、输出周波变换器均由四象限功率 开关( 能承受双向电压应力和双向电流应力) 构成，这类变换器具有高频电气隔 离，电路拓扑简洁，两级功率变换，功率密度高、双向功率流，输出周波变换器 实现了z v s 换流等优点i s s 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 2 1 2 改进型全桥双向高频链逆变电路 在电压型高频链逆变电路中，周波变换器的换流问题成为研究的难点。原因 是如果强行关断功率管以实现换流，那么势必会在滤波电感和变压器漏感中产生 反电动势，在功率管的两端产生高压脉冲，从而损坏功率管。为了更好的解决这 个问题，一般采用功率管自然换流和加入有源箝位电路抑制尖峰电压两种方法。 带有源箝位电路的高频链逆变电路，箝位电路吸收电容在周波变换器换流期间通 过二极管吸收变压器瀑感存储的能量，达到抑制电压尖峰的目的。 图2 2 是采用移相控制的高频链逆变电路的拓扑，它将后级的周波变换器换 成类似于全桥的自然换流电路，通过轮换控制开关管，使其对角导通来实现换流， 消除了电压尖峰“，较加入有源箝位电路的方法具有更高的效率和更灵活的控 制策略。 当盔：当壹 u e f 刍匿：当蓝 2 2 原理特性 2 2 1 移相控制原理 型釜：璺盔 司窭! 司窭 a c b d 幽交：刿童 司基c 司窭 图2 - 2 改进型垒桥双向高频链逆变电路 移相控制原理波形图如图2 3 所示，逆变嚣将输入电压谚调制成双极性三 态的电压波“。，周波变换器将此电压波调制成单极性s p w m 波，经输出滤波后 得到正弦电压，周波变换器功率开关在”盯为零期间进行z v s 换流。逆变器右 桥臂相对左桥臂存在移相角口，而且输出滤波器前端电压为单极性s p w m 波，故 为单极性移相控制。功率开关s 与s 。、s ，与s 在个开关周期瓦内的共同导通 西北工业大学硕士学位论文第二章电压源高频链e a c 逆变器拓扑结构与原理特性 时间为： = t s ( 1 8 0 0 o ) ( 2 x 1 8 0 0 ) ( 2 - - 1 ) 当输入电压u s 降低或负载变大时，导致输出电压降低，闭环反馈控制使 得移相角口减小、共同导通时间砭。增大，从而使输出电压增大。因此，调节移 相角。可实现输出电压的稳定。 l 习弓-? 毒彳吲 t k 彳吲专一彳。、j 、l 耐 错 ；z j “钳付有j r 嵛 甜 上i詹 竹 7 6 ； 6 ： l ； ：i j i l ：i 2 图2 - 3 控制原理波形图 由上图可以看出，“。、“。：波形的下降沿反映了相差的特征，因此可以用 s 西北工业人学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 下降沿作为触发信号驱动触发器实现以上波形，同时应用锯齿波可以实现良好的 波形同步。实现单极性移相控制原理的具体方案为：( 1 ) 将输出电压反馈信号“。， 与正弦基准电压“，比较后得到电压误差放大信号“。与载波“，比较后得到 。，“。，下降沿- - 分频、反相互补后分别得到功率开关s 、& 的驱动信号；( 2 ) 将“。的反极性信号u ，：与载波“。比较后得到信号“。：，u 。：下降沿二分频、反相 互补后分别得到功率开关& 、s 。的驱动信号；( 3 ) 将载波虬，下降沿二分频、反 相互补后分别得到功率开关k ( k 。) 、k 。( k ，) 的驱动信号。控制方案如下图 2 4 所示。 图2 4 控制方案结构图 借助周波变换器的换流重叠，并且周波变换器是在前级输出的电压为零期间 进行开关转换，从而使得单极性移相控制方案具有如下特点：( 1 ) 实现了变压器 漏感能量和滤波电感电流的自然换流：( 2 ) 避免了换流重叠期间周波变换器的环 流现象，并且其功率开关实现了z v s ；( 3 ) 输出滤波器前端电压为单极性s p w m 波，频谱特性好，输出滤波器体积、重量小3 “5 ”。 2 2 2 移相全桥控制电路拓扑分析 忽略线路的寄生电容和杂散电感，只考虑高频变压器的漏感，则前级移相控 制电路存在以下8 种工作方式，如图2 5 所示。 9 西北1 1 业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 ( a ) 工作方式h 墨和s 4 导通( b ) 工作方式2 ：0 3 和s 4 导通 ( c ) 工作方式3 ：d 4 和s 3 导通( d ) 工作方式4 ：s 2 和s 3 导通 i f 当匠 i j ( e ) 工作方式5 ：d l 和s 2 导通( f ) 工作方式6 ：墨和d 2 导通 0 翌 西北工业大学硕士学位论文第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 ( g ) 工作方式7 ：d i 和d 4 导通 ( h ) 工作方式8 ：d 2 和d 3 导通 图2 - 5 前级移相全桥控制电路工作方式 从图2 5 可知，工作方式l 和4 时，电源向负载提供能量；工作方式7 和8 时，负载向电源回馈能量；其余4 种工作方式时，处于续流状态，为后级周波变 换器电路提供零电压开关条件“”“。 工作 时 器前 西北工业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 t = t 2 t 3 ：r 2 时刻，s i 关断，原端电流i 。从墨中转移到s 、s s 的寄生电容 上，给c l 充电，电压从零开始线性上升，同时c ，被放电，电压从u 。开始线性下 降，因此s 是零电压关断；经d ，、d 4 流通，“= o ；i 玎经k l 、x 4 流通，“b = 0 。 f = f 3 f 。：t ，时刻，c ，放电完毕，墨零电压开通；f l 经d 3 ，流通，”e f = o ；f 经置l 、k 流通，”- - - - 0 。 t = t 4 ：r 4 时刻，k 2 、如零电压开通；f i 经功，瓯流通，“口= o ；o 经x 、k 4 流通，“。- - - - 0a 此期间为周波变换器换流重叠时间，可保证足l 、足。 与k ：、k ，之间的平滑换流和输出滤波电感电流的连续a 型盏 c 一型盏 lu b 到盏 f 型盏 到童：到盔 司基：司窭 ac b d 璺盔e 刿蠢 司窭：司奎 t = ，5 f 6 ：时刻，k 。、墨零电压关断，“ = o ；0 经足：、k 3 流通，f ， 反相经s 、d 4 流通，玎。= o 。此时，变压器副边漏感上的能量转移到k 。、结 电容上，因变压器端电压为零，不会引起周波变换器功率开关的电压过冲。 r = t 6 ，：t 6 时刻，s 4 零电压关断，i l 经马、d 4 流通甜e f = 0 ；0 经k 2 、k 3 流通，“= o 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 i 雎 辛。艟i 鲁 l 型口_ j_ j “ l l l 五 s r f i。臣 ；口鞘l 普 l 到口_ j- j 卜l 刿盔：刿盔 司窭：司堑 ac b d 到嶷：刿益 司窭：司窭 t = f ，8 ：t ，时刻，s z 全电压开通，反相经s 2 、马流通，“。= 一u i ；0 经k 2 、k 3 流通，开关墨、k 4 电压应力为”9 2 = “* 3 = h j b = u n 2 i n i 。 l 到盏 c t 型盏 i l u e l - f lg 盏 毒ow i 等 l _ j一 到盔：刿盔 【 司奎r 司窭 r ac b d 到盎：刿童 司奎c 司奎 t = t e t 9 ：t s 时刻，受零电压关断；j l 经s 2 、d 1 流通， = 0 ；i l r 经k 2 、 k 3 流通，“d 口= 0 。 r = r 9 t l o ：t 9 时刻，焉零电压开通；i l 经s 2 、d i 流通，u g f = o ；0 经世2 、 k 3 流通，m a b = 0 。 ，= r l o t ：t l o 时刻，足l 、世4 零电压开通；经s 2 、d l 流通，“胪= o ；i l r 经、置3 流通，u 。口= 0 。 西北工业大学硕士学位论文第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 i 到盏 。让i 昏 _ j_ j _ lu j 5 f l 到盏 。到盏 图2 - 6 ( e ) t s ，l l f = t l l r 1 2 ： 1 时刻，k 2 、k 3 零电压关断；f l 经s 、d 2 流通， 口= o ；0 经k l 、k 流通，“。= 0 。 t = r 1 2 f 1 3 ：t 1 2 时刻，s 2 零电压关断；经s l 、d 2 流通，材口2 0 ；i z l 经k 、 k 。流通，”= o 。t 1 3 时刻开始下一个开关周期。 b a 韭 卜 f o 蹦l 等 _ j - j 4 2 2 4 稳态特性分析 掣盔：l 竺= | 盔 司奎! 司宣 a c b d 到盔：型蓝 司基r 司窭 为了解开关变换器在额定工作点的运行情况，需进行电路的稳态分析，这也 是功率开关器件的电流、电压应力、储能元件( 电感和电容值) 及变压器等设计 的基础。稳态分析的主要内容有：计算直流电压增益= 厂( d ) ，外特性 西北t 业大学硕士学位论文第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 = f ( z 。) ，开关管的电压、电流，电感的电压、电流等“”。 描述开关变换器稳定运行时的模型称为稳态模型，用稳态模型分析开关变换 器稳定性能时，称为稳态分析，又称直流分析。假设占空比d 不变，即开关电源 稳定运行于某个额定工作点。根据上一节对理想开关状态等效电路的分析，一个 周期的理想开关状态等效电路可分别用图2 7 、图2 - 8 所示等效电路表示。其中 r 为包括变压器绕组电阻、漏抗、功率开关通态电阻、滤波电感寄生电阻等在内 的等效电阻。并且假定三，具有足够大的电感量，以致i 。实质上是直流；c ，较大， 以致i ，的交流压降大部分在电感上。这两个假设是为获得低输入电流纹波提出 的，符合开关电源实际应用“”。 图2 - 7 电源向负载提供能量等效电路图 倒2 - 8 绥流越程等双电婿因 由于开关频率五远大于输出滤波器截止频率和输出电压频率，因此在一个 开关周期内输出电压可看成恒定量。图2 - 7 所示等效电路的状态方程为 v 等一+ u i 素n 飞( 2 - - 2 a ) c 等= o 一警 ( 2 _ 2 ” 图2 - 8 等效电路的状态方程为 。鲁一一矿一“。 ( 2 _ 3a ) 蜡北工业大学硕士学位论文 第二章电压源高频链d c a c 逆变器拓扑结构与原理特性 c 誓= o 一誓 ( 2 3b ) 式( 2 2 ) 乘以d 加上式( 2 3 ) 乘以( 1 - - d ) ，令等= 。，警= 。， 可得状态变量的稳态值为 - = d u r n 2i1百(2-4 a ) u 。：d u , n 2 上一 ( 2 4b ) 。 n 。1 + r r 。 式( 2 - - 4 ) 中，d 为滤波器前端电压s p w m 波在一个开关周期内的占空比， 即 d = 2 k 五= ( 1 8 0 。一1 8 0 。( 2 - - 5 ) 由式( 2 - - 4b ) 可知，理想情况且c c m ( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ) 模 式时，逆变器的外特性为 uo=du|n2fnl(2-6) 2 3 小结 本章分析了改进型全桥双向高频链逆变器的拓扑结构与原理特性，具有周波 变换器重叠换流的移相控制方案，较好地解决了周波变换器换流时的电压过冲现 象。全桥双向高频链逆变器由高频逆变器、高频变压器、周波变换器，以及输入、 输出滤波器构成，具有双向功率流、两级功率变换、变换效率和可靠性高、输出 纹波小等优点，在中大功率的逆变场合具有重要的应用价值。 西北工业大学硕士学位论文第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 本章对移相控制全桥双向电压源高频链逆变器的稳态与动态特性进行了仿 真，并给出了p s i m 仿真波形，仿真波形与理论分析一致，从而验证了移相控制 策略的可行性。 3 1 仿真软件p s l m 简介 p s l m 是一种用于电力电子与电力传动的新的专用仿真软件包，为基于理想 化功率元器件和功能模块的仿真工具。与s a b e r 、p s p i c e 等常用电力电子仿真 软件的特点比较，p s i m 对电路开关过程的细节做了简化，其仿真过程更加迅速： 与m a t l a bp o w e rs y s t e m 及上述其他软件相比，p s i m 的界面比较友好，因而设计 更加方便。该软件十分适合于电力电子与电力传动产品的初步设计，它可以加深 工程师对电路与系统的原理及工作状态的理解，大大加速电路的设计与实验过 程，是与s a b e r 、p s p i c c 相辅相成的不可多得的电力电子仿真工具。 p s i m 的全称是p o w e rs i m u l a t i o n ，包括一个基本软件包与两个配冬的工具 包：数字信号处理模块与电力拖动模块。p s i m 的基本程序有三个，s i m c a d 是 电路原理图的编辑程序，p s i m 是仿真程序，而s i m v i e m 是仿真结果的图形显 示程序。 p s i m 基本电路模块有四大部分： 1 ) 主回路元件库 包括r 、l 、c 元件、单个半导体开关与二极管、电力半导体模块、耦合电 感与变压器、电动机模块( 如直流电机、交流感应电机、直流无刷电机、开关磁 阻电机) 和各种电机的机械负载等。 2 ) 控制回路单元库 包括各种传递函数、线性运算单元、非线性运算单元、逻辑电路单元、各种 离散数字信号处理功能单元等。 3 ) 各种开关控制驱动器、晶闸管相控触发单元、电流、电压传感器、各类 电工仪表。 4 ) 交、直流和特殊函数发生的电流、电压源，各类受控电流、电压源。 p s i m 还有专门用于分析谐波畸变、频谱分析、三相电路d q 变换等单元。 p s i m 的特点是采用类似于m a t l a b 的基于一般电路元件的模型以及数学模块来进 行仿真的思路，并且结合p s f ) i c e 的简便电路作图方法。由于p s i m 是专门针对电 西北工业大学硕士学位论文第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 力电子和电力传动而设计的，设计仿真电路比m a t l a b 的p o w e rs y s t e m 方便，其 运行效率十分高。p s i m 的输出数据格式兼容性亦十分好，能够方便地转换到 e x c e l 和m a t l a b 所识别的格式。与m a t l a b 相仿，因其模型元件为理想元件，其 仿真结果地参考意义体现在电路的总体与系统上。因此，p s i m 具有非常广泛的 应用范围，使用也十分方便 2 9 1 。 3 2 电路仿真分析 计算机仿真属于数值方法，与解析法相比，虽然不能给出各变量之间的关系， 但具有结果精确的优点，对电路各变量的参数可以绘出较精确的计算量。本节通 过用电力电子专用仿真软件p s i m 对全桥移相控制高频链逆变电路的动、静态响 应进行计算机仿真，一方面可以进一步验证方案的可行性，另一方面可以给出功 率电路各参数较准确的计算值 1 5 1 1 4 9 1 。 仿真实例：全桥移相控制高频链逆变电路拓扑，单极性移相控制，输入电压 3 0 0 v d c ，输出1 1 5 v 4 0 0 h z ，开关频率8 0 k h z ，变压器m m = 1 5 ：1 ，变压器 耦合系数为o 9 9 9 9 9 9 ，输出滤波电容c ，= 2 5 0 0 u f ，输出滤波电感上，= o 2 6 m h ， 额定电阻负载r ，= 1 0 0 q 。仿真电路图如图3 - 1 所示： 图3 - 1 全桥移相控制高频链逆变器仿真电路 西北工业大学硕士学位论文 第三章全桥舣向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 3 2 1 静态仿真结果 静态仿真波形如图3 2 ，图3 3 所示。从仿真结果可知，逆变器空载，带阻 性、容性、感性负载，均具有良好的输出电压波形，满足d c a c 变换器的要求。 由仿真波形可知： 1 ) 高频变压器原、副端为包含基波的全部信息但不会基波成分的高频脉冲 电压波： 2 ) 周波变换器的输出为单极性的s p i w i 波； 3 ) 前级全桥逆变器的每个开关管关断时承受的峰值电压为u ，； 4 ) 后级周波变换器的每个开关管关断时承受的峰值电压为高频变压器输 出峰值电压【，。； 5 ) 调压、调频由前级逆变器来实现，通过实时反馈实现了闭环控制，输出 电压波形光滑； 6 ) 由纯阻性负载输出电压傅立时分析波形圈可知，输出电压v o 的谐波 成分主要集中在8 0 1 d t z 区域，输出滤波电潞参数豹计算要以消除8 0 k h z 为主要参考。 1 移相控制电路工作过程仿真 图3 - 2 ( a ) 为开关管墨触发脉冲波形图：图3 2 ( b ) 为开关管s ，触发脉冲 波形图；图3 2 ( c ) 为前级移相控制电路输出波形。 1 9 西北工业大学硕士学位论文 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 l 图3 - 2 ( b ) 开关管s 2 触发脉冲波形图 图3 2 ( c ) 前级移相控制电路输出波形 2 周波变换器及输出电路仿真 图3 3 ( a ) 为周波变换器输入波形图；图3 3 ( b ) 为周波变换器输出波形图； 图3 3 ( c ) 为开关管墨波形图；图3 3 ( d ) 为开关管瓦波形图；图3 3 ( e ) 为 纯阻性负载输出电压波形图；图3 3 ( f ) 为纯阻性负载输出电压，。波形图， 图3 3 ( g ) 为纯阻性负载输出电压傅立叶分析波形图，图3 3 ( h ) 为感性负 载输出电压波形图，图3 3 ( i ) 为容性负载输出电压波形图。 西北工业大学硕士学位论文 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 图3 - 3 ( a ) 周波变换器输入波形图 图3 - 3 ( b ) 周波变换器输出波形图 图3 - 3 ( c ) 开荚管足，波形图 2 i 西北工业大学硕士学位论文 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 图3 - 3 ( d ) 开关管k 。波形图 一、 ， 、? 、 图3 - 3 ( e ) 纯阻性负载输出电压v o 波形图 低l 么 。j i 9 ，一 x 一 ， ， 、 图3 - 3 ( f ) 纯阻性负载输山电压l 波形图 西北工业大学硕士学位论文 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 - 一一 i i 一i 图3 - 3 ( g ) 纯阻性负载输出电压v o 傅立叶分析波形图 一 ，。 ， 、 图3 - 3 ( h ) 感性负载输出电压v o 波形图 一 ? y 。 图3 - 3 ( i ) 容性负载输出电压u o 波形图 西北工业大学硕士学位论文第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 3 2 2 动态响应性能 图3 - 4 ( a ) ( b ) 为输出突加负载时的电压、电流波形。，时刻前，为空载， t 突加满载， 一屯为调整过程， 由图3 - 4 可知，在负载突变时，变换器输出电 压波动较小，调整时间短，迅速由瞬态进入稳态，交换器具有良好的负载调整率。 仿真电路的反馈控制环节采用p i 控制方式，电压取样反馈，当负载发生突 变时，输出电压将出现波动，相应的电压误差放大信号将快速变化，这样通过反 馈控制电路，实时改变移相角口，从而使得逆变器迅速由瞬态进入稳态，输出电 压得到稳定。 ，、 万i 人 ! 、一 图3 4 ( a ) 空载突加负载时输出电压v o 波形图 一j j t 1d 图3 4 ( b ) 空载突加负载时输出电压i o 波形图 2 4 西北t 业大学硕士学位论文 第三章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器仿真 3 3 小结 本章对全桥移相控制高频链逆变器进行了静、动态仿真，得出了以下结论： i 、变换器的仿真结果与理论分析一致，从而验证了移相控制策略的可行性； 2 、变换器具有良好的动、静态性能，输出电压波形光滑，能适应各种负载， 满足性能指标要求； 3 、通过仿真，获得了变换器外特性曲线，以及输出电压的谐波分析曲线， 为下一章实验样机的设计提供了设计参数。 塑i ! 兰些盔堂堡主兰垡笙塞 茎磐兰全堑翌塑皇里塑堕壑壁! ! ! 竺垄奎墨塑塑生望塞望 第四章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器的设计与实现 本章介绍了l k v a1 1 5 v 4 0 0 h z 单相高频链逆变电源原理样机的电路构成和 电路关键参数设计。原理样机实验表明，全桥双向电压源高频链逆变器具有良好 的静态和动态外特性。 4 1 系统构成 全桥移相控制高频链逆交器系统原理框图如图4 - 1 所示，整个系统由主电 路和控制电路两部分组成，系统包括a c d c ，d c a c ，a c a c 三个环节，其中 前端逆变电路和后端商波变换电路是本课题研究的重点。 图4 z l 系统整体结构图 1 ) 逆变电路 逆变电路采用全桥变换器拓扑结构，采用移相软开关控制方式。通过改变功 率开关控制策略，使其中一个开关管先关断，一次绕组的另一端仍与交流地相接， 这使得一次绕组空载端与谐振电容配合，并产生可控的d v t d t 。漏电感和开关管 的输出电容构成了这个谐振网络。由于在各开关管的关断瞬间，一次绕组的两端 都有一个单端流过的负载电流，所以每个开关管都实现了z v s 关断。 由于要使用同步信号实现前后端的全软开关控制，逆变的移耜控制信号和周 波变换电路的p 1 】| m 调制信号都由d s p 与c p l d 组成的数字控制电路同步生成。移 相控制电路的实现方法是，载波信号u 。和调制信号u 。、u 。：相交，在交点处 输出信号发生变化，当载波信号高于调制信号时，输出高电平；当载波信号低于 调制信号时，输出低电平。 2 ) 周波变换电路 周波变换电路由交交变频器和l c 滤波器组成。同一桥臂的双向开关采用重 叠换相方法进行切换，而且要求重叠换相的时间应该满足使高频变压器漏感中的 储能完全放掉，由于在零电压作用时间内进行重叠换相，因此开关切换是极其安 全的，同时利用开关重叠换相方法很好地解决了开关切换时产生的电压浪涌问 西北工业大学硕士学位论文 第四章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器的设计与实现 题。 周波变换器脉冲触发信号的产生是由c p l d 来完成的，采用正弦脉宽脉位调 制( s p w p m ) 。d s p 产生的常规p w m 和同步信号经过c p l d 的逻辑处理，应用到周 波变换电路 2 6 1 2 7 1 z 8 i 。 4 2 控制电路 整个系统的控制结构采用闭环反馈控制，控制算法上采用重复控制技术。控 制系统结构如图4 - 2 所示，控制电路包括d s p 和c p l d 两部分，通过d s p 实现 控制算法的调节，c p l d 实现驱动信号的时序和逻辑控制。 控制电路结构如图4 2 虚线部分所示，该控制器以数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心，通过d s p 对反馈的电流、电压信号进行运算控制，输出调 制深度和p l v i , t 信号到c p l d ，c p l d 输出相应的前后级触发信号，再通过隔离与驱 动电路输出给逆变器和周波变换器；过流、过压保护电路给d s p 提供保护信号， 在出现过流、过压的情况下封锁触发信号。 i ；二二二：二二二二= 二二= 二= 二二二二一j 卧 蚓吼。巴一黼隔牵 卧 鞫学辫手卧 d s p t m $ 3 2 0 f 2 4 0 母 医一器降琏网 外雁甄p 书巢l | 黼 a d 转换器 l - j 调理i 电路1 一 ! “ 生兰墼兰二：二二二= 二二! 一羹盟蝼一一j 图4 - 2 控制系统结构框图 4 2 1 前级d s p 控制电路及控制算法的选择 1 d s p 控制电路 前级移相控制电路有两个主要作用，一是为后级周波变换器电路提供零电压 开通条件，二是通过调节移相角的大小来调节输出电压。欲实现移相控制，必须 西北工业大学硕士学位论文 第四章全桥双向电压源高频链d c a c 逆变器的设计与实现 有适合的控制电路，例如u c 3 8 7 5 、u c 3 8 7 9 等专用控制芯片，但这些电路都是采 用模拟电路来实现p i d 闭环控制，且移相角控制精度不高，所以本文采用了一种 数字移相控制方法及电路，以便达到移相角精度高、速度快以及可以采用各种数 字实时反馈控制技术来实现的闭环反馈控制“”。 图2 3 的控制原理波形是移相控制电路的实现方法。其基本工作过程：载 波信号和调制信号相交，在交点处输出信号发生变化：当载波信号高于调制信号 时，输出高电平；当载波信号