（电力电子与电力传动专业论文）正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究.pdf

在戳土对单程逆交器鹾究工终爨鏊趱上，避一步磅究了歪激壹漆器节三穗缀合斌 软开关逆变器。这穗逆变器由三个芷激蕊滚环节攀穗逆交器擒成，三相搜魏独立撩锅， 控制简单，带不平衡负载能力高。簿一捆静止变流器既可用作单相静止交流器，魄w 以通过适当的外部控制组合成三相静止燮流器，便于模块化设计，可维修性商。本文 通过理论分析、仿真与实验研究，得到了满足对称度指标的参数条件和器件选取的约 康条件，并提出在电路设计中，每个单模块的吸收电容、功率管、滤波电感和炎腰器 的定额应比单相静止变流器的大。 根据上述研究，本工作设计的单相原理样机效率提高到8 5 ，重量减轻到4 5 k g ， 三相原理样机效率达到8 3 ，重量为1 4 妇。三捆原理样机经国防科工委组织的技术 浆定，认为该项研究成果填补了我嚣模块忧大功率航空静止交流器的空自，她予鞠肉 镁惫农平。 笑键词；簸空势壹交滚器，较牙关，瑟激囊滚嚣节，套源羲蕴歪激变换器，蒸激 赫狰调懿菝术，罄缓巍鲎 1 1 a 舅s 譬r a c t a e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e r ( a s l ) i sak i n do f s t a t i cc o n v e r t i n gd e v i c e , w h i c hc o n v e r t s t h ed c ( 2 7 v 2 7 0 v ) i nt h em a i np o w e ro fa i r c r a f ti n t oa co fc o n s t a n t - v o l t a g ea n dc o n s t a n t f r e q u e n c yb ym e a n so f p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f 也ea i r c r a f t , a l lt h ee l e c t r i ce q u i p m e n to nt h ep l a n er e q u i r e st h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 埘t hb e t t e r p e r f o r m a n c e t h er o t a t i o n a lc o n v e r t o rc o u l dn o ts a t i s f y 、墒t ht h er e q u i r e m e n ta n y m o r e ， c o m p a r e dw i t ht h er o t a t i o n a lc o n v e r t o r , a s ii sb e t t e ri nt h ee f f i c i e n c y , p o w e rd e n s i t y , r e l i a b i l i t ya n de l e c t r i c a lq u a l i t y a s ih a v ea l r e a d yr e p l a c e dt h er o t a t i o n a lc o n v e r t o ri n w e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e ss i n c et h e7 0 s b u ti n0 1 1 1 - c o u n t r y , m o s ta c i t i v ea i r c r a f t sa r e s t i l lu s i n gr o t a t i o n a lc o n v e y o r sa st h es e c o l l d a r yp o w e rs u p p l i e s 。s oi ti su r g e n tf o rt 匿t o d e v e l o po u ro w n a 整。 t h em a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oa c h i e v eh i 醢p o w e rd e n s i t y , e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n de l e c t r i cq u a l i t yo fa s l t h en o v e lf o r w a r di x ：l i n ki n v e r t e r , m a d eu pb ya d c d cc o n v e r t e ha ne n e r g ys t o r a g ec i r c u i ta n da ni n v e r e r ，h a sb e e nc h o s e nb e c a u s eo f i t s a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g h - f r e q u e n c yi s o l a t i o nf u n c t i o na n de a s ya c h i e v e m e n to f m o d u l a rd e s i g n b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fh i 妫e f f i c i e n c y , s m a l lv o l u m ea n dw e i g h t , t h e a c t i v e - c l a m p e df o r w a r dc k c m ta r eu s e da st h ed c d cc o n v e r t e nt h ed c d cc o n v e r t e r p r o v i d e sp u l s ev o l m g e ，w h i c ht d 强st oz e r op e f i o d i e a u y , f o rt h ed e v i c e si nt h ei n v e r t e rt o r e a l i z ez v s b u tt h ed e v i c e ss t i l lh a v es o m eo n - l o s st i n 如rt w ok i n d so fs t a t ec o m m u t a t i o n + t h e r e f o r e 。i ti sb e t t e rt ol 袋t h ed e v i c e s 诚懋s m a l l e r j u n c t i o nc a p a c i t o r t h es e l e c t i o n 越eo ft h eh y s t e r e s i sw i d t hh a sb e e nd e v e l o p e di no r d e rt om a k et h e t t t da n dr m sv a l u eo f t h eo u t p u tv o l t a g et ob et h eb e s tw i t hh i g he f f i c i e n c y , a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fp u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n t h ee q u a t i o no fs e l e c t i n gf i l t e rc a p a c i t o ri s d e r i v e dt om a k et h ef e e d b a c ke n e r g yw h i c hi sp r o d u c e db yt h ei n v e r t e rt ob em i n i m u m t h ev a l u eo ft h ec a p a c i t o rh a sb e e nd e c r e a s e df r o m2 c i l l ft o7 6 p fa n dt h ee f f i c i e n c yh a s b e e ni m p r o v e db y1 5 t h em a x i m a lf i l t e ri n d u c t o rv a l u eh a sb e e ng i v e no nt h eb a s eo f t h eh y s t e r c s i sc o n l r o lp r i n c i p l e t h ei n i n i n l u l nf i l t e ri n d u c t o rv a l u ei sa l s og i v e nt ol i m i tt h e m a x i m a lp u l s a t i n gi n d u c t o rc u r r e n lb o t ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g nm e t h o di sf e a s i b l e t h ev m u eo f t h ei n d u c t o rh a sb e e nd e c r e a s e df r o ml m ht o 0 6 5 m h 。t h e nt h ev o l u m ea n dw e i g h to f t h es y s t e mc o u l da l s ob er e d u c e d t h el o s sa n a l y s i ss h o w st h a tt h em a i nl o s si st h el o s so f p r i m a r yl o o ps ot h ee f f e c t i v e a p p r o a c ho f i m p r o v i n ge f f i c i e n c yi st ol o w e r t h er m sv a l u eo f p r i m a r yc u r r e n t t w on o v e l c o n t r o ls c h e m e sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef i r s to n ei m p r o v e de f f i c i e n c yb y2 5 t h e e f f i c i e n c yh a sb e e ni n c r e a s e d0 4 2 - 0 9 6 b yt h es e c o n ds c h e m e o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c hr e s u l tm e n t i o n e da b o v e ，an o v e lt h r e e p h a s ec o m b i n e d a s ii sp r o p o s e di n t h i sp a p e r , w h i c hi sm a d eu pb yt h r e es i n g l e p h a s ea s i e a c h s i n g l e - p h a s ea s lw o r k ss e p a r a t e l y t h u sm o d u l a rd e s i g nc a l lb er e a l i z e dc o n v e n i e n t l y t h e a n a l y s i ss h o w st h a ti th a sg o o dp e r f o r m a n c ee v e n 、i 血u n s y m m e t r i c a ll o a d a s i n g l e p h a s e p r o t o t y p eo f 2 7 v d c 1 1 5 v ( 4 0 0 h z ) 1 k v aa n da t h r e e p h a s ep r o t o t y p e o f2 7 v d c 11 5 v ( 4 0 0 h z ) 3 k v ah a v e b e e nd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l ya c c o r d i n gt o t h e r e s e a r c hr e s u l tm e n t i o n e da b o v e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h e yh a v eg o o d p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a e r o n a u t i c a ls t a t i ci n v e r t e r , s o f ts w i t c h i n g ，f o r w a r dd cl i n k ，a c t i v e c l a m p e df o r w a r dc i r c u i t , d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n , f e e d b a c ke n e r g y i v 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 本章首先简要介绍了航空静止变流器电路结构经历的三个发展阶段，指出它的发展方向。然 后对软开关逆变器技术作了回顾，确定正激直流环节逆变器为本文的研究对象。最后介绍了本文 的研究内容和主要意义。 1 1 航空静止变流器的现状与发展 航空静止变流器( a s i - - a e r o n a u t i e a ls t a t i ci n v e r t e r ) 是航空电源系统的二次电源， 将飞机主电源直流电2 7 v 或2 7 0 v d c 变换成恒压恒频单相1 1 5 v 4 0 0 h z 、或单相 3 6 v 4 0 0 h z 、或三相1 15 v 2 0 0 v 、或三相3 6 v 交流电，供飞机上负载使用。 随着飞机的不断发展，飞机及其用电设备对电源系统性能的要求越来越高，旋转 变流机早已不能满足飞机及其用电设备的需要。由于a s i 具有效率高、功率密度高、 无噪声、可靠性高、寿命长、供电品质好、维护方便等优点，欧美一些先进国家早在 7 0 年代就已经用a s i 取代了旋转变流机。国内由于受飞机主电源系统供电体制的影 响，目前大多数现役飞机的二次电源仍为旋转变流机，只有少数国产机型和在研飞机 采用了a s i ，而且型号较少。对a s i 的研究成为国防建设提出的紧迫课题。 对静止交流器( s i ) 的基本技术要求【l 】分两类： 使用要求。体积小、重量轻、维护方便、可靠性高和成本低。 电气性能要求。输出频率稳定、输出电压稳定、输出正弦波形失真度小、输 出电压精度高、动态响应速度快、效率高。 航空的特殊环境也对静止变流器提出了进一步要求，如高度、温度、湿度、振动冲击、 抗电磁干扰等1 2 1 。 a s i 电路结构经历了三个发展阶段i 】：方波逆变器式电路结构；升压直流变换器 与阶梯波合成逆变器组合式电路结构：单端反激f 1 y b a c k 变换器与桥式逆变器组合式 电路结构。 1 1 1 方波逆变器式a s i 第一代静止交流器的典型产品是美国j e t 电气技术公司于1 9 8 4 年研制的s 卜 2 5 0 0 l p 方波、准方波静止变换器【3 】，如图1 1 所示，由推挽电路和输出交流滤波电路 构成。这种电路的特点为： 以4 0 0 h z 的开关频率低频工作，通过改变脉宽实现输出调压； 功率开关电压应力为2 u i ； 正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究 电路拓扑简洁，功率器件数目少； 变压器工作频率低，体积和重量大； 输出滤波器采用对基波具有串、并联谐振的四阶滤波器可使输出正弦波失真 度小于2 ，该滤波电路复杂，体积和重量大，位于主功率通道的滤波电感 和滤波电容损耗较大。 1 1 2 阶梯波合成式a s i 阶梯波合成静止变流器是另一种常见的静止变流器构成方案，由升压b o o s t 变换 器和阶梯波合成逆变器级联构成，如图1 2 所示。它根据谐波抵消原理，通过n 个相 位相差n n 的逆变器或变压器副边n 个绕组输出的n 个依次相移7 【瓜、不同幅值的方 波或矩形波来实现波形叠加，使合成波的谐波含量最小。 图1 1 方波、准方渡式变换器 这种电路的特点是： 逆变电路本身没有调压的功能， 压； 图1 - 2 阶梯波合成式变换器 通过前级的升压b o o s t 变换器来调节输出电 功率器件和n 相变压器的工作频率为4 0 0 h z ，变压器的体积和重量大 电路拓扑复杂，元器件数目多； 输出电压谐波含量小，输出交流滤波器体积和重量小： 输出滤波电感产生的音频噪音得到改善。 1 1 3f l y b a c k 变换器与桥式逆变器组合式a s i 由美国航空仪表( a i - a v o n i ci n s t r u m e n t s ) 公司生产的a i 1 0 0 0 静止变流器【4 】是第 二代产品，如图1 3 所示，由单端反激变换器和单相桥式逆变器级联构成，两部分分 别闭环控制。单端反激式变换器的工作频率为2 1 6 k h z ，高频变压器取代了逆交桥输 出端笨重的4 0 0 h z 低频变压器，直流侧输入电压2 7 v 经变换器输出d c a c 逆变器所 需的稳定1 8 0 v d c 电压，改善了逆变器的工作条件，对提高整机性能起到了关键作用； 单相桥式逆变器采用了电流滞环控制两态调制技术。这种电路的特点为： 2 南京航空航天大学博士学位论文 高频变压器实现隔离，取代了笨重的低频输出变压器； 整机体积、重量明显下降； 采用了电压电流双闭环控制技术，其中电流环应用了滞环控制两态调制技 术，输出电压精度高、动态响应速度快； 功率管是硬开关条件； 易于由单相变流器组合得到三相交流器或更大功率的单相变流器，实现模块 化结构。 图1 - 3r n y b a e k 变换器与桥式逆变器组合式变换器 中国航空工业贵阳1 8 5 厂生产的2 7 v d c 1 1 5 v 、4 0 0 h z a c 航空静止变流器，采 用图1 - 3 所示的电路方案，相当于国外先进国家第二代航空静止变流器的技术水平， 其特点是采用巨型晶体管、硅铁芯材料和分立电子元件，开关频率为2 1 6 k h z 。表 1 1 给出了国外第一代、第二代典型产品和国内现有产品d l - - 1 0 0 0 s 的主要技术指标。 表1 1 国内、外单相静止变流器主要技术指标 s i 一2 5 0 0 l pa i 一1 0 0 0 d l 1 0 0 0 s 额定值( v )2 7 52 82 8 输入电压 变化范围( v ) 2 0 3 6 4 2 4 3 42 4 3 2 输出电压( v ) 2 0 01 1 5 2 61 1 52 61 1 52 6 负载功率因数变化范围- 0 8 旧8- 0 争咖8- 0 8 卜o 7 5 输出频率( h z )4 0 0 - + 1 4 0 0 1 4 0 0 1 - _ 1 输出功率( v a ) 3 0 0 0 2 5 0 05 5 01 0 0 01 0 0 0 效率 7 5 8 0 2 7 4 失真度( 0 - 1 5 0 额定负载) 7 1 0 冷却方式风扇风扇 工作温度( ) 5 5 - - + 8 0 - 5 5 0 7 15 5 _ 7 l 体积( c t l l 3 )3 0 5 x 2 1 6 x 1 0 23 0 5 x 2 1 6 x 1 0 7 重量( k g ) 1 4 2 6 16 5 1 1 4 航空静止变流器的发展方向 美国s u n d s t r a n d 、a l l i e d s i g n a l 、k g s 公司研制的新一代a s i ，采用m o s 功率器 3 正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究 件、电流控制、表面安装、二次集成、高频化等技术，并实现了高功率密度、高效率 的模块式电源结构，体积、重量小，可靠性高，但具体电路结构尚未清楚。总之， a s i 正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、高维修性和高电能质量方向发展。 目前，国内的产品仅与国外第二代a s i 的产品相当，而且品种少、容量小，不能 满足现有战斗机的需要，更不能满足第四代战斗机、舰载机的需要。因此，对高频软 开关a s i 技术的研究显得极为迫切，也具有重大实际意义。开关高频化是实现a s i 体积小、重量轻的决定因素；软开关技术的应用可实现a s i 高效、高可靠地工作；采 用模块化技术，可以方便地组合a s i ，得到大容量的输出或者多相输出，维修性也得 到了提高。 1 2 软开关逆变器技术的发展 为了缩小功率开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，从7 0 年 代起，高频化的程度一直是功率变流技术发展进步的技术标志。功率管在电压不为零 时导通，在电流不为零时关断，处于强迫开关过程，这种开关过程称为硬开关( h a r d s w i t c h i n g ) 过程。硬开关将导致【3 7 】： 在开通和关断瞬间产生的电压和电流尖峰将可能使开关器件的工作范围超 出安全工作区( s o a - - s a f e t yo p e r a t i o na e m ) ，影响开关的可靠运行。 随着开关工作频率的提高，功率管的开关损耗会成正比的上升，使电路的效 率降低，处理功率的能力减小。 过高的d v a t ，d d t 将产生严重的电磁( e m i - - e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) 干扰噪声。 自1 9 8 6 年美国威斯康星大学麦迪逊分校的d i v a n 博士提出谐振直流环节逆变器 5 1 ( r d c l i - - r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r ) 以来，软开关逆变电路的研究成为电力电子 学领域中热点研究方向之一。目前已提出多种不同拓扑结构的谐振软开关逆变电路， 大致可分为两种：直流( d c ) 环节谐振型逆变器和极谐振型( r p i - - r e s o n a n tp o l e i n v e r t e r ) 逆变器州。 1 2 1 直流( d c ) 环节谐振型逆变器 l 、谐振直流环节逆变器 谐振直流环节逆变器( r d c l i - - r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r ) 的电路拓扑结构及控 制策略在所有d c 环节谐振型逆变器是最简单的，图1 4 为电路原理图，图中l c 为 辅助谐振电路。通过谐振，电容电压周期性地返回零点，从而为后面的逆变桥创造了 零电压开关间隔。 4 南京航空航天大学博士学位论文 r d c l i 也有其不足之处： 谐振逛压垮藿过毫，可达2 3 谤酝，遨霞褥遂变辑功率器箨豹电莲应力大大 缮麴； 离散辣洚_ 控翻技本( d p m - - d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n ) 僮遂变嚣输鸯产生大 量次谐波，这在某些应用场合是不允许的，且宽频带的次谐波不易用滤波器 滤除嘿 谐振电感处于主功率通道上，流避的电流较大，它的电阻将消耗功率，造成 逆变器的效率降低。 为了弥补这些不足，其后有大量不同捅扑结构的d c 环节谐振型逆变电路被掇 出。 2 、肖滚糍位谐振d c 环节逆变器 为了矮决r d c l i 熬筵一令不是之处，文默i s , 9 ，1 0 1 提出了有源舞倥谐振d c 强节 遂交澄( a c r d c l i - - a c t i v ec l a m p e dr d c l i ) 援羚，兹图l 一5 露示。逶遘籍蕴簿s 。 裰裣锭容c 。祷母线电压葭露l 在1 2 l 。4 穰熬豢流供龟毫压，毽是r d c l i 懿嚣弧令缺 陷农本拓扑中仍然存在。 3 、髂蜜型谐振直流环节逆变器 绪实型谐振直流环节逆变器( r r d c i j 欺u g g e d r d c l i ) 1 5 , 1 6 , 1 7 , 18 】由各自独立的 络蜜型谐振支路与d c a c 逆变桥组合而成，电路如图1 - 6 所示。该电路的特点照： 功率管承受电源电压； 主管零电压开通和关断，辅管零呶滕开通和关断； 谐振电感仍然处于主功率回路中，谐振环节的电流应力大，逆变器的效率不 胬； 遂交撬嚣要采矮d p m 控爨繁臻。 _ 壹流嚣= 毒器遂交器霹分裂狻立攘潮，楚臻g 篱擎。 u 缸。鐾 3【丰gjc 丰。 z卜 + _ l r ”r o l 朝 叫j c 丰g j 蹦1 4 谐振直流环节逆变器圈1 - 5 有源箝位谐掇威流环节逆变嚣图l - 6 结实型谐振直流环节逆蹙器 4 、激流( d c ) 环节并联谐振逆变器 为了勰狭r d c l i 应用d p m 控毒8 策臻带来的次谴渡闼题，直流环节荠联谐掇邀 交嚣( p r d c l i - - p a r a l l e lr d c l i ) 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 l 黩逡蠢生，蛰霾i - 7 嚣示，它不健将谟掇 正激直流环节单相和三相软开关静止交流器的研究 电感l r 移出主功率通道，放进了辅助回路，仅在需要谐振时工作，大大降低了电感 的损耗；而且谐振可在任何时刻产生，直流环节电压过零能够控制，可以应用各种成 熟的p w m 控制策略；另外谐振支路功率器件的状态转换也是在零电压或零电流下完 成的。该电路的结构特点是： 所有开关器件承受的电压应力均为以； 谐振支路的功率器件均是零电压或零电流开关； 谐振电感l 不在主功率回路上，仅用作谐振过零时的储能元件； 谐振电容和逆变桥每个功率器件并联，可以利用器件本身的寄生电容； 谐振可以在任何时刻进行，过零间隔可以控制，各种成熟的p w m 控制策略 得以应用； 需要增加三个功率器件和两个二极管。 5 、谐振环节双向功率变换器 p r d c l i 将逆变桥功率器件结电容所储存的能量全部转移至谐振电感中，造成电 感中的谐振电流较高，为了克服该缺陷，文献 1 9 , 2 0 提出了一种新颖的谐振环节双向 功率变换器( r l b p c - r e s o n a n tl i n kb i d i r e c t i o n a lp o w e rc o n v e r t e r ) ，如图1 8 所示。 该电路的特点是： 母线电压与电源电压相同； 所有的功率器件均是零电压和零电流条件下开关： 谐振支路不流过主功率： 逆变桥功率器件结电容所储存的能量分散至谐振电感k 和谐振电容c ，中， 谐振电流峰值减小； 需要两只功率器件和一只二极管。 图l - 7 直流环节并联谐振逆变器圈l - 8 谐振环节双向功丰变换器 6 、基于谐振电路模块化的软开关逆变器 文献【2 l 】提出了一种新的谐振电路，并将其作为一个即插即用( p l u ga n d p l a y ) 模 块，该模块接入普通的硬开关逆变器就可以实现逆变器的软开关化。电路如图1 - 9 所 6 南京航空航天大学博士学位论文 示。该电路的特点是： 谐振电路可以作为个已有的逆变器可选择的附加模块： 主功率不流经谐振电路； 遂交凌圭功率譬巍 蠹振毫薅筑舞蕴蓉零魄疆开逶，港藩邀爨豹穗营零电流关 新： 逆变桥主功率管和辅位管承受电源电压，辅管承受一半的电源电压。 蹦1 - 9 基于谐振电路模块化的软开关逆变器 1 2 2 凝谐振壅逆变器 与d c 环节谐振型逆交器相比较，极谐振型滋变器的共同特点是：辅助谐振电路 从逆变桥之前移到了逆变桥之后，对于三相逆受器来说，辅助谐振电路由原来的一组 变为三缎，即每一桥臂均酉已谢一组，通过辅助谐振电路。使每一相极点( 每一桥臂上 下开关嚣件联接点) 电压产生谐振，从两为开关嚣 牛剑造了零电压鼯邋雏条件。 l 、雄谤掇电漉模式逆交嚣 准谐振电流模式逆变器 2 4 , 2 5 1 ( q r c m 卜勺u a s ir e s o n a n tc u r r e n tm o d ei n v e r t e r ) 是 一种最犁提出且结构形式最简单的极谐振型逆变器，图1 1 0 所示为单相半桥q r c m i 和三相q r c m i 的电路原理潮。这种电路的特点魁： 浆矮了电流控割模式； 港摄霞籍藏在输密交滚鬟，每裰箕舂馥立豹谐援强鼹，茹予安现各葙电路独 立的p w m 控制： 逆变桥功率器件承受的电压为直流供电电压，但所需承受的最大电流约为 2 0 2 5 倍的负载电流； 谐振电感处于主功率通道虽兼有滤波功能，损耗大。 正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究 图l 一1 0 单相半桥和三相准谐振电流模式逆娈器 2 、辅助二极管谐振极p w m 逆变器 辅助二极管谐振极p w m 逆变器( a d r p i - - a u x i l i a r yd i o d er e s o n a n tp o l ei n v e r t e r ) 15 , 2 6 的每一条桥臂由1 2 1 节第3 点中的结实型诣振直流环节逆变器的谐振环节构成， 电路特性相同，这里不再赘述。 3 、辅助谐振变换极p w m 逆变器 辅助谐振变换极p w m 逆变器【2 7 0 8 2 9 】( a r c p i - - a u x i l l i a r yr e s o n a n tc o m m u t a t e d p o l ei n v e r t e r ) 如图1 1 l 所示，该电路的特点是： 逆变桥主功率管的软开关操作与负载变化无关： 逆变桥主功率管承受的电压为电源电压，通过的电流为负载电流，电压、电 流应力较低； 在电路的整个工作过程中，不需要较大的环流能量存在，减小了电路的导通 损耗； 辅助功率开关的电流较高，其开关过程是在零电流条件下完成的； 对负载电流和谐振电感电流的检测导致成本升高和可靠性问题口o 】； 完成软开关的转换需要与输入电压源相并的带中心抽头的电容，可能引起电 压不平衡问题1 3 1 1 。 ：，= c 高u 冀“j l 年几甲c “j l 图1 - 1i 辅助谐振转换极逆变器的一条变换桥臂 4 、零电压转换三相p w m 逆变器 与a r c p i 相比，零电压转换三相p w m 逆变器【3 2 , 3 3 】( z v t i - - z e r o v o l t a g e 8 南京航空航天大学博士学位论文 t r a n s i t i o n t h r e e p h a s ei n v e r t e r ) 的辅助谐振电路得到了大大的简化，如图1 1 2 所示。 该电路的特点是： 逆变桥主功率管零电压导通，主续流二极管软关断； 逆变桥主功率管承受电源电压，流过的电流为负载电流： 需要增加1 只辅管、六只超快恢复二极管、一只筘位管和一个辅助电源； 三个桥臂的工作是相互关联、相互耦合的，采用p w m 控制策略受到一定的 限制。 一u l 一 。 n 【j j l 一l l 一【弋j 。一。 l1 _ 一 j t u z s 。， l 比i l l r b 一 ， 一l l 一l l ”弋j【k 】【叫j i。 o 图i 一1 2 零电压转换三相p w m 逆受器 5 、y ，a - - s n u b b e r 谐振极p w m 逆变器 - - s n u b b e r 谐振极p w m 逆变器 3 1 ( d c r s i - - d e l t a - c o n f i g u r e dr e s o n a n ts n u b b e r i n v e r t e r ) 是y - - s n u b b e r 谐振极p w m 逆变器1 3 4 】( s c r s i - - s t a r - c o n f i g u r e dr e s o n a n t s n u b b e ri n v e a e r ) 的改进型，图l 一1 3 所示为单相和三相d c r s i 的电路原理图。该电 路的特点是： 逆变桥主功率管承受电源电压，流过的电流为负载电流； 与a r c p i 相比，不需要直流母线上的两个相串联的大电容； 与z v n 相比，仅需要三只辅管、三只二极管，电路简洁； 与s c r s i 相比，辅助电路不存在浮动中点，无需考虑可能产生的过电压损坏 辅助开关； 某些情况下，必须要有两条辅助谐振支路同时工作，增加了控制的复杂性、 限制了可应用的p w m 控制策略的多样性。 图卜1 3 单相和三相a - - s n u b b e r 谐振极逆变器 正激壹流环节肇撼秘三裙软拜关静出变流器的研究 1 2 3 歪激直滚；l ：节遂交器 航空交流用电负载与主直流电源共地，作为二次电源的a s i ，其输出与输入之间 必须有变压器电气隔离。如果采用1 2 ，l 和1 2 2 节中给出的各种谐振直流环节逆变器 和谐振极逆变器作为a s i 的电路拓扑，可以通过下述两种方案来实现输入与输出之问 的隔离：在输出端添加低频变压嚣； 在软开关逆变器前面增添一级带有淄频电气 隔离功能的d c d c 变换器。这两种方察均不利于变换器功率密度的提高。蕊于上述 原因，文献 2 2 ，2 3 提出了将高频电气隔离功能的d c d c 变换器和谐振直流环节二者 一体他的薪颖的正激直流环节逆褒嚣( f o r w a r dd cl i n k 砸v e r t e r f d c l i ) ，该电路 蛉特点是： 改送戆正激交换器灸递交撩援爨黥潦臻入电匾，翻造零电压戆开关条 譬，稳 谐振宅蘧与秀压电黯戆臻麓鬟藏在一令电路中，缝 冬筵单； 正激变换器戆高菝交压器鼹 芝了输入与输出之汪豹隔离； 直流环节与逆变器部分分嬲独立控制，控制简单。 易于由单相变流器组合得到三相变流器或更大功率的单相变流器，实现模块 化结构。 文献 2 2 】对这种拓扑做了原理性的分析与验证。在此基础上，本文以f d c l i 为研 究对象，对单相和三相逆变器进行了探讨，围绕着如何提高a s i 的效率、减小它的体 积朔重量、以及采用模块化结构来实现三桶输出并提高三相输出电压的品质等问鼹做 了详细的研究。 1 3 本文鳇研究内容及意义 1 , 3 1 研究内容 作者以f d c l i 为研究对象，在理论研究和仿真分析的基础上研制出了1 k v a 的 单相静止变流器原理样机和3 k v a 的三相组合式静止变流器原理样机，并进行了燕验 分析研究。本文是这一工作的总结，主疆内容分为以下六章： 第一章论述a s i 的现状，分析了它的发展方向高功率密度、高变换效率、商 可靠性和高电能质量。在回顾软开关遒瓷器技术发展状况的基础上，确立了本工作的 研究对象为f d c l i 。同时确立主要研究方向为提高a s i 的效率，减小英体积翔黧爨； 袋蹋模块位结掏实现三相输出，势爨麓三襁输密电压豹品质。 纂二章走楚要奔缓挚稳静睫交滚嚣瓣瓣或释工终暴理。搂羞歇电劈强羚窝铁心糖 辩嚣个方瑟分辑了歪激交换器豫洚受援嚣豹浚诗，寻求减枣系统钵积窝鲞鬣，爨怒系 统效率的有效途径。最嚣详细论述了邋黛轿的工作摸式和逆变轿功率管开关祭髂，稷 1 0 南京航空航天大学博士学位论文 据实验数据从理论上对静止交流器进行了损耗分析，得到了系统损耗的主要分布点， 为以下两章的讨论奠定了基础。 第三章详细研究a s i 的输出电压和效率与滞环宽度、滤波电容、滤波电感三个参 数之间的依赖关系，通计算机仿真和实验研究优化了滤波器的设计。滤波器的谐振频 率由2 8 倍基波频率提高至5 7 倍基波频率，从而达到了提高变换器效率、减小变换 器重量和体积的目的。 第四章通过理论分析、仿真分析和实验研究，提出了有效提高a s i 的效率的两个 方案。 1 、通过仿真分析研究吸收管关断沿的改变对直流环节母线电压、吸收容电压、吸收 支路电流、电感电流和直直变换器电流等参数的影响时，提出了能够有效提高系 统效率的吸收管关断沿滞后控制方案，并用实验验证了这一结果的正确性。 2 、在上述方案的基础上提出了吸收管变频控制方案，从理论和实验两个方面证明了 以这一方案取代原有的定频控制方案，能够进一步提高整机效率。 第五章研究并实现了三相组合式静止变流器。首先定量分析影响三相输出电压对 称度的因素。接着讨论了逆变器带对称与不对称负载时的特性，着重分析了线不对称 负载对每个单相逆变器的影响，提出了设计三相组合式静止变流器的单模块不同于设 计普通单相静止变流器的要点。最后给出了实验数据和相应波形。 第六章总结全文的研究工作，给出了本工作得到的主要结论，并提出了今后研究 工作的设想。 1 3 2 本文工作的意义 本文选题“正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究”是航空工业总公 司“九五”预研项目之一“先进飞机二次电源变换关键技术研究”课题的一个子 课题。本课题提出的a s i 电路参数( 滞环宽度、滤波电容和滤波电感) 的设计方法和两 种提高系统效率的方案解决了第三代静止变流器实现功率器件软开关的关键问题；该 电路拓扑结构和控制技术实现了模块化设计，通过模块间的并联可获得大容量的静止 变流器，通过模块间的组合可获得三相静止变流器。本课题已成功的研制出这两种形 式的静止变流器的原理样机，对航空电源的发展具有重要意义。 相关技术还可推广应用到通讯电源、不间断电源等民用工业领域，亦可作为校表 台产品的电压、电流标准源，具有广阔的应用前景，会产生较大的社会效益和经济效 益。相关技术已经应用于深圳某公司研制的3 k v a 通讯用4 8 v 2 2 0 v 、5 0 h z 逆变器的 产品和南京某公司的电压、电流表校表台产品的设计中。 正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究 参考文献 1 严仰光，航空航天器供电系统，北京：航空工业出版社，1 9 9 5 8 【2 】2飞机静止变流器通用技术条件，中华人民共和国航空工业部标准，h b 5 9 6 2 8 6 3 】 s i - - 2 5 0 0 l ps t a t i ci n v e n e lp n5 0 1 1 3 2 9 0 1 ，m a i n t e n a n c em a n u a lw i t hi l l u s t r a t e dp a r t sl i s t , j e t e l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g y , i n c 4 】彭灯明，电流控制两态调制技术在逆变电源中的应用研究，南京航空航天大学申请工学硕士 学位论文，1 9 8 2 5 】d m ，d i v a n , t h er e s o n a n td cl i n kc o n v e f 【e r an e wc o n c e p ti ns t a t i cp o w e rc o n v e r s i o n i e e e i a s ，1 9 8 6 ，p p 6 4 8 6 5 6 【6 1 6 w m c m u r r a r y , r e s o n a n ts n u b b e r sw i t ha u x i l i a r ys w i t c h e s ，i e e et r a n s i n d a p p l ，v 0 1 2 9 ，n o 2 ， 19 9 3 ，p p 3 5 5 3 6 2 7 s j f i n n e ye ta l ，s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e s o n a n tl i n ki n v e r t e r s ，i e e ep e s cr e c o r d , 19 9 2 。 p p6 0 7 6 1 4 8 】d m d i v a n ，g a r ys k i b i n s k i ，z e r o - s w i t c h i n g - l o s si n v e r t e mf o rh i g h - p o w e ra p p l i c a t i o n s i e e e t r a n s i n d a p p l ，v 0 1 2 5 ，n o 4 ，1 9 8 9 ，p p ，6 3 4 6 4 3 【9 】d m d i v a n , d e s i g nm e t h o d o l o g i e sf o rs o f ts w i t c h e d _ m v e r t e li e e et r a n s h a d a p p l ，v 0 1 2 9 ， n o 1 ，1 9 9 3 ，p p 1 2 6 - 1 3 5 1o 】t h o m a sm j a h n s ，a a d ed o n c k e re ta l ，s y s t e md e s i g nc o n s i d e r a t i o nf o rah i g i l - p o