（电力电子与电力传动专业论文）双组合式单端反激双向电流源高频链逆变器.pdf

性 关键诵 d c a c 变换蠹接变频双向高颁链逆变器 ac o m p o u n df l y b a c kb i d i r e c t i o n a lc u r r e n ts o u r c e h i g h f r e q u e n c y l i n kd c a cc o n v e r t e r p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i ed r i v e p o s t g r a d u a t e y uw e i s u p e r v i s e rh u a n g n i a n c i i nt h ew a y so fp o w e re n e r g yp r o d u c t i o n b a t t e r y i sac o l r l i n o na n di m p o r t a n t m o d e p r o v i d i n gp o w e re n e r g yt oa cl o a dw i t hb a t t e r y t h ed ce n e r g ym u s tb e t r a n s f e r r e dt oa c p o w e r i nm a n y c o n v e r t e r sd e s i g n e dt op u to u t5 0 h zl o w f r e q u e n c y a c p o w e r f o r t h ep u r p o s eo fi s o l a t i o na n dc h a n g ev o l t a g e t h e r ei sn oc h o i c eb u tt o u s e5 0 h zt o wf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r w 娃l lt h ed e v e l o p m e n to f 珏g hf r e q u e n c y s w i t c h i n gt e c h n i q u ea n dt h ei n c r e a s i n gn e e d so fr e d u c i n gt h es i z e a n dw e i g h to f p o w e rs u p p l y t h et r a d i t i o n a lp w m i n v e r t e rc i r c u i tc a l lh a r d l ym e e tt h en e e d s s oi ti s p o s s i b l et h a tt h eh i 疼f r e q u e n c y t r a n s f o r m e rr e p l a c e st h el o w f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r t h et r a d i t i o n a lh i g h f r e q u e n c yl i n kd c a ci n v e r t e rc o m p o s e so ft h r e em a i np a r t s t h e h i g h f r e q u e n c y i n v e r t e r t h e h i g h f r e q u e n c yr e c t i f y i n g c i r c u i ta n dt h e l o w l y e q u e n c yi n v e r t e r b e c a u s eo f t h ew o op o w e rt r m l s f e rl e v e l s t h ee f f i c i e n c yo f t h i sc o n v e r t e ri sn o th i g h i nt h et o p o l o g yo ft r a d i t i o n a lh i g h f r e q u e n c yl i n kd c a c i n v e r t e r t h e r ei s a h i g h f r e q u e n c yr e c f i f y i n gp a r t s o t h ep o w e ro n l yc a l lb e t r a n s f e r r e df r o mt h ep o w e rs u p p l yt ot h el o a d w h e nt h el o a dc o n s i s t so fv a tp o w e r t h ei n v e r t e rc a n n o tw o r k p r o p e r l y ac u r r e n ts o u r c eb i d i r e c t i o n a l h i g h f r e q u e n c y l i r t kd c a cc o n v e r t e ri s p r o p o s e di nt h i sp a p e r u s i n gt h eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r t h ev o l t a g et r a n s f o r m i s o l a t i o na n dl o wp o w e rt r a n s m i s s i o nc a r la l lb ea c h i e v e d t h i sc o n v e r t e rh a st h e p r o p e r t i e so fs i m p l et o p o l o g y t e s sc o m p o n e n t sa n dh i 醢r e l i a b i l i t y i tc a r ts a t i s f yt h e n e e do fl o wp o w e ra p p l i c a t i o ns y s t e m s t h et o p o l o g yo ft h ec o n v e r t e rc o n s i s t so fa c o m p o u n df l y b a c kc o n v e r t e r ah i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r a n dab i d i r e c t i o n a l r e c t i f y i n ga n dc h o pc i r c u i t t h ec o n t r o ls c h e m ei su s i n gs p w m m o d u l a t i o nm e t h o d t oc o n t r o lt h ec o m p o u n df l y b a c kb i d i r e c t i o n a lc u r r e n ts o u r c eh i g h f r e q u e n c yl i n k d c a cc o n v e r t e ra n du s i n gl h ev o y a g ei n s t a n t a n e o u sv a l u ef e e d b a c kt oc o n t r o lt h e c o n v e g e rw h i c hw o r k si nc h o pm o d e b yt h i sm e a n st h ep o w e rc a l lb ef e e d b a c kf r o m t h el o a dt ot h ep o w e r s ot h i sc o n v e r t e rc a na c h i e v et h eb i d i r e c t i o np o w e rt r a n s f e r s a n df i t t h e r e q u i r e m e n to fa l l k i n d so fl o a d i n c l u d i n g r e s i s t a n t i n d u c t a n c ea n d c a p a c i t i v el o a d s t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e s o p e r a t i o nm o d e s a n dt h ec o n t r o ls c h e m e so ft h e p r o p o s e ds y s t e ma r et h o r o u g h l ya n n y z e da n dd i s c u s s e di n d e t m l t h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h ec o m p o u n df l y b a c kb i d i r e c t i o nc u r r e n ts o u r c eh i g h f r e q u e n c yl i n k d c a cc o n v e r t e rt o p o l o g yi sa l s og i v e n t ov e r i t yt h ea b o v e d e s c r i p t i o n k e yw o r d s d c a c c o n v e r t e rd i r e c t i o n a lc h a n g ef r e q u e n c y b i d i r e c t i o n a l h i g h f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e r 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 l 概述 1 1 电力电子技术的国内外概况 1 4 2 0 电力电子技术 p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y 是电工技术的分支之一 美 国电气和电子工程师协会的电力电子学会对电力电子技术的阐述是 有效地使 用电力半导体器件 应用电路和设计理论及分析开发工具 实现对电能的高效 能变换和控制的一门技术 它包括电压 电流 频率和波形等方面的变换 应 用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术 对电能特别是大的电功率进行 处理和变换 是电力电子的主要内容 电力电子学广泛应用于电力系统 电力传动系统及各种电源生产工业部门 和民用部门 对人类的文明起了巨大的推动作用 其关键在于利用功率半导体 器件的开关作用 使电能的产生 传输 交换 控制和使用效率大大提高 并 实现了用电装置的小型化 轻量化及原材料的大量节省 现代电力电子学不但 是一项高新技术 而且还是多项高新技术发展的基础 据国外统计 大到发电 设备 小到家用电器 将近有8 0 的品种经过电力电子装置的变换的电源供电 在电力 轧钢 造纸 水泥 煤炭 铁路 船舶 汽车等传统行业的改造中 在计算机 自动化生产线 航天航空等高新技术的发展中无不看到现代电力电 子技术的踪影 电力电子学和计算机技术将是本世纪两项重要的基础技术 成 为解决人类面对能源匮乏 原材料资源紧缺两大危机的重要技术手段之一 1 9 4 8 年普通晶体管的发明引起了电子工业革命 半导体器件首先应用于小 功率领域 如通信 信息处理和计算机 1 9 5 8 年 从美国通用电气公司研制成 功第一个工业用的普通晶闸管开始 大大扩展了半导体器件功率控制的范围 电能的变换和控制从旋转的变流机组 静止的离子变流器进入到以电力半导体 器件组成的变流器时代 这标志着电力电子技术的诞生 第一只晶闸管问世以 来 电力电子技术开始登上现代电力技术 现代电气传动技术舞台 以此为基 础开发的电力转换技术 可控硅整流装置是能源技术 电源技术和电器传动领 域的一次革命 进入2 0 世纪7 0 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系 列产品 普通晶闸管不能自关断的半控型器件 被称为第一代电力电子器件 随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高 电力电子器件在容量 和类型等方面得到了很大的发展 先后研制出g t r g t o 功率m o s f e t 等目 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 关断全控型第二代电力电子器件 而以绝缘栅双极型晶体管 i g b t 为代表的 第三代电力电子器件 开始向大容量 高频率 响应快 低损耗方向发展 进 入2 0 世纪9 0 年代后电力电子器件正朝着复合化 标准模块化 智能化 功率 集成的方向发展 以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究 器件开发研 制 推广应用的产业链 在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域 之一 我国使用电力半导体器件以及电力电子技术对电气设备的电功率进行变换 和控制的技术诞生于6 0 年代后期 早期使用可控硅电路和系统为代表 经过4 0 多年的发展 电力电子学已经形成较为完整的体系和理论 成为相对独立的学 科门类 所包含的技术领域有 电子技术 电力技术和控制技术等 经过4 0 多 年的不断探索 我国已经掌握了相当水平的电力电子技术 形成了具有一定生 产规模和生产能力的电力电子产业 我国近年来在交流传动 牵引等方面有了 很大的发展并取得了很大的成就 有些项目 例如三峡的直流输电 是全国最 重大的项目之一 将对国民经济起到巨大的影响 但是我国在开发研制电力电 子器件的综合技术能力与国外发达国家相比 还有较大的差距 1 2 现代电力电子技术 尽管电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史 但是由于它对国民 经济的作用明显 得到了国内外的普遍重视 因此发展非常迅速 目前所用的 技术无论在功率器件 电路拓扑 控制方法和装置性能等方面与初期都有明显 的差别 5 口具体而言有以下几个方面的特点 一 绝缘栅晶体管 i g b t 的崛起和功率晶体管 g t r 的淡出 早期的功率器件是晶闸管 s c r s c r 是一种半控型器件 用它组成的电 路称为半控型电路 其基本特点是容量大 但电路结构复杂 开关频率低 功 率密度和整机效率不高 g t r 的应用 使电力电子电路由半控型转为全控型 并在不同程度上克服了s c r 电路存在的缺点 因而在中小功率领域中出现了 g t r 电路取代s c r 电路的局面 和功率场效应管 p o w e r m o s f e t 相比较 g t r 具有导通内阻低和阻断电压高的优点 但是因为g t r 是一种电流控制型器 件 其开通增益低 这对大功率器件控制电路的制作工艺和电能消耗都是一个 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 沉重的负担 此外 为了降低噪声 现代电源要求器件以超音频工作 但在硬 开关环境中 g t r 的开关频率很低 这显然无法满足要求 m o s f e t 是一种电 压控制型器件 控制功率极低 它同时又是一种高频器件 完全能在超音频硬 开关环境中工作 因此 7 输入特性和开关频率与m o s f e t 相似 而输出特性 和开关容量则与g t r 相似的新型功率器件i g b t 诞生了 实际上它是一种用 m o s 门控制的晶体管 由于i g b t 具有g t r 和p o w e rm o s f e t 都无法具备的 性能 在短短的几年内 i g b t 就完全占据了原来g t r 的应用领域并使电力电 子电路进入到超音频时代 二 模块化和功率集成电路 p i c 的出现 就内部结构而言 m o s f e t 和i g b t 都是功率集成器件 p i d 但是就这 些器件的外部结构而言 早期都是分立式的 因而在实用时必须为每个器件安 装独立的散热器 这自然影响电路功率密度的提高 模块技术的应用解决了这 一问题 所谓器件模块化是指将多个功率集成器件按电路拓扑安置在一起以构 成功率模块 p m 功率模块的外壳是导热的绝缘体 因而可以使用一个散热 器 这就明显的提高电路的功率密度和可靠性 随着集成技术的进步 功率模 块逐渐向智能化方向发展 也即模块内部除主电路器件之外 还包含相应的接 口电路 保护电路 含过流保护 过压保护和过热保护 和驱动电路 故也称 智能功率模块 r p m 或功率集成电路 p i c 这是电力电子技术的一大进步 说明集成电路已经从信息电子技术领域扩展到功率电子技术领域 尽管目前已 有的i p m 和p i c 在功率等级上还很有限 但已在各个应用领域显示出明显的优 点 三 脉冲宽度调制 p w m 控制技术的广泛应用 p w m 是斩波控制方式的一种 它维持开关周期恒定并通过控制功率器件的 占空比控制输出量的大小 最初应用于直流变换电路 d c d c 尔后将这种方 式和频率控制技术相结合 产生了用于逆变电路 d c a c 的p w m 控制技术 用改变调制信号的频率实现输出电压基波频率的调节 用改变调制信号幅值的 大小实现输出电压基波幅值的调节 p w m 逆变电路与方波逆变电路相比有很多 优点 它可以通过改变调制信号的幅值实现输出电压调节 这样既可以简化直 堕型查兰堡主兰垡丝兰 三 流环节 又可以提高控制反应速度 p w m 逆变电路输出电压的谐波含量比方波 逆变电路低 而且载波频率越高 谐波含量就越低 这样可以简化输出滤波环 节 提高电路的功率密度和反应速度 在s c r 电路时期 p w m 技术的优点并没有得到充分的发挥 这是由于提 高载波频率就意味着提高s c r 的开关频率 但是由于关断时间的限制 在硬开 关环境中 s c r 的频率仅为1 k h z 左右 然而i g b t 在相同开关环境中 其开 关频率可以达到2 0 k h z 这就为发挥p w m 优点创造了远优于s c r 和g t r 的 客观条件 使得p w m 控制方式成为当今逆变电路的主要控制方式 由于p w m 技术在d c d c 和d c a c 变换领域中所显示的优点 人们开始 尝试将它推广应用到整流电路 a c d c 和交流变换电路 a c a c 以往的整 流电路以s c r 构成并采用相位控制方式 是技术最成熟 历史最悠久的一种变 换电路 但是它同时还存在许多问题 由于采用相控方式 电网侧功率因数较 低 特别是在控制角比较大的情况下 谐波含量很高 在电力电子装置应用目 益广泛的今天 这种情况使公共电网受到严重的污染 不仅有害于网间负载 也会对各种信息设备产生干扰 如果在整流电路中采用p w m 控制方式 就可 以解决以上的问题 提高网侧功率因数接近于l 因此 p w m 整流电路尽管目 前还没有普遍使用 但最终将会成为整流电路的主要形式 在以往的a c a c 变换中 主要采用相控和频控相结合的相频控制方式 同 样由于电网频率低 存在输出电压谐波含量高 控制时滞长 装置噪声大等弱 点 在采用p w m 控制方式后 这些弱点都会在不同程度上得到克服 四 高频化的趋势和软开关技术的提出 提高器件开关频率可以使电路获得多方面的好处 可以使电路具有更高的 功率密度和可靠性 低噪声和快速响应能力 因而高频化成为现代电力电子电 路的特点 但是由于器件的开关损耗和开关频率成正比 频率越高 器件和电 路的损耗越大 电路的效率也越低 开关频率越高 电路中电量的变化速率也 就越高 电路产生的电磁干扰 e m i 也越强对环境的污染也就越严重 为了 提高电路效率 降低 e m i 强度 必须设法降低器件的损耗 降低器件的损耗可以设法降低器件的开关时间 也即是研制频率特性更为 优越的器件 器件的开关时间越短 每次开关所耗费的能量便越小 这一措施 四川i 大学硕士学位论文 2 0 0 4 的难点在于器件中各项性能指标的相互制约 因此开关时间的缩短要受到其它 参数的制约 电力电子技术的发展表明 器件性能的改良乃至新器件的出现 对技术的发展有着更为深远的影响 还可以通过改善器件在电路中的开关环境来降低器件的开关损耗 一电路中 的开关环境 也即是器件在电路中的开关运行条件 的优劣会直接影响到器件 开关损耗的大小 器件在满压下开通 又在满载下关断 这种在高电压大电流 条件下的开关操作必然产生很大的能耗 现在将这种开关环境称为硬开关方式 具有硬开关环境的p w m 控制简称为硬p w m 控制 如果能够做到在开关过程 中器件电压 电流相错位 使器件在零电压或零电流条件下开关 器件都不可 能产生开关损耗 具有上述条件的开关环境称为软开关环境 具有软开关环境 的p w m 控制称为软p w m 控制 对器件所在的电路进行改造以实现软开关的 技术称为软开关技术 是当今电力电子技术的发展前沿领域之一 用来实现软开关的主要技术措施有 1 在电路中增设缓冲电路以实现软 开关 此类电路泛称为缓冲型软开关电路 缓冲电路也称为吸收电路 是电力 电子电路的一部分 它的加入旨在改善电路的开关环境 对大部分自关断器件 组成的电路 由于开关频率较高 缓冲电路着重于改善器件的开关轨迹 控制 e m i 减低电压和电流应力 从而降低开关损耗 为器件提供安全的开关环境 最大限度的利用器件特性 充分发挥器件的效能 在原来的硬p w m 开关电路 中加入缓冲电路 便可以使该电路在开关期中具有软开关环境 而在非开关期 中却仍然保持原来硬开关p w m 电路的各种优点 2 借助电路控制信号的合 理安排以实现软开关 此类电路泛称为控制型软开关电路 所谓控制型软p w m 技术指在不改变硬开关p w m 变换主电路拓扑的前提下 依靠控制方法以实现 软p w m 开关的技术 是一种很有发展前途的技术 具有简易和可靠的优点 3 在直流侧或交流侧设置谐振电路以实现软开关 此类电路泛称为谐振型 软开关 这种谐振环与常用的谐振式逆变电路不同 在硬开关p w m 逆变电路 中附加谐振环并不是为了提高负载侧功率因数 也不构成负载的一部分 其目 的是为了改善逆变桥器件的开关环境 使之具有z v s 功能 根据附加谐振环在 逆变电路中的位置 可以分成直流谐振环和交流谐振环两种软开关p w m 逆变 电路 前者指附加谐振环插在直流电源与逆变桥之间 由于谐振环的作用 直 流电源电压被转换成高频脉冲列 于是逆变桥各功率器件只要在直流电压为零 一一凹型奎兰婴主堂垡丝苎 竺 的时刻中实现开关状态的更迭 便可以实现z v s 交流谐振型软p w m 逆变电 路是指附加谐振环插在逆变桥和负载之间 其作用是将逆变桥每相对直流电源 中点问的电压由原先的交变方波改换成交变的梯形波 这样逆变桥每相上下桥 臂器件开关状态更迭时不再承受突加正向电压 一 1 3 电力电子技术的前沿和发展 1 3 1 电力电子半导体器件 电力电子器件是电力电子技术的基础和源头 近年来 电力电子器件在性 能方面获得了很大的提高 未来发展的主流是提高电流和电压的等级 提高工 作频率 缩小体积 高度模块化和高工作效率化 并根据电力电子装置的需要 协调电压 电流和频率之间的关系 m o s 场控半导体器件以其优异的特性成为 主流器件 并将成为未来电力半导体器件研究的主流 对i g b t m o s f e t 和 i e c t 这些以m o s f e t 作为控制级 并具有高工作频率的器件 其研究核心是 提高电压和电流容量 静电感应类半导体器件s i t s i t h 的研究将受到重视 电力电子器件发展的总体趋势是 一方面研制经济性能好的器件 以降低设备 造价 另 方面 研制高频 高压和开断功率更大的高性能器件 国外已经研 制成功了以碳化硅 s i c 为基片的电力电子器件 基片的耐压和热容量可大幅 度提高 而元件的损耗却大大降低 从而使元件的断开功率可望有数量级的飞 跃 这预示用电子高压断路器取代机械高压断路器已成为可能 电力系统的高 压机械开关一旦被大功率的电子开关取代 则电力系统完全的灵活调节控制便 将成为现实 l3 2 电力电子积木和集成电力电子模块技术 高可靠性的电力电子积木p e b b p o w e re l e c t r o n i c sb u i l d i n gb l o c k 和集成 电力电子模块i p e m i n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e s 技术是未来电力电 子技术发展的新热点 电力电子积木p e b b 采用先进的表面贴装技术将触发器 有源器件 主电 路板集成在一起 具有低感模块和多重功能 大大缩小电力电子装置的体积和 重量 降低装置的损耗和成本 提高高频工作效率 集成电力电子模块i p e m 是集成表面贴装技术 大规模集成电路技术 共烧瓷片的多芯片模块技术于一 四川丈学硕士学位论文 2 0 0 4 体制作的电力电子模块 通过i p e m 可以实现电力电子技术的智能化 并大大 降低电路接线电感和援褒系统效搴 功率集成毫路静避一步发震方向是系统集成 美国电力魄子系统中一t s 已经 提出了系统集成的设想 它把信息传输 控制与功率半导体器件全部集成在一 起 组成躺元件之间不用导线连接以增加可靠憾 采用三维空间热耗散的方法 栗改善毂热 育可藐穆功率簸纛功率 尼吾w i k w 铰至 舞功率 咒 k w 以上 系统集成的结聚 可以改变现在的半自动化 半人工的组装工艺而达到 完全自动化生产 因而可以降低成本 有利于普遍的推广应用 1 33 发魄和输电技术 从发电和输电的角度来说 人们正在利用电力电子技术 来提高发电效率和 提高输 酝电的可靠性和质量 太闲能 风力 地热能等自然能发电技术称为 零污染静发毫技零 国于这释技术发窭懿邀藐矮麓较差 不缝壹接与毫力系统 联网时需要用电力电子技术来储能缓冲及改善电能质量 高压赢流输电技术 h v d c t 柔性交流输电技术 f a c t s 的实质就是 剥露电力电子设套对魄力系统豹奄压 榍位建 隧抗 滏漉翁参数以及瓣终结 构迸行快速 连续控制 提高线路晌输电能力和系统的稳定瞧 在远距离输电 方面 高压直流输电优于交流输电 但是直流输电需要特大功率的整流与邋变 装置 并且要求有很离的可靠性 未来的发展方向是在现有技术的基础一k 途 一步餐鬻其可靠往 豢褴交流赣惫披零葳校本上渡交了交浚羧奄溺过去基本旯 依靠机械型 慢速 间断及不精确的控制和优化技术措施的局面 提供了空前 快速 连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力 提高了输电系统的稳定性 它被认为怒2 l 世纪簸鬟要懿输电皴零蕈薮 f a c t s 按零及冀控毒l 器畀级羧代 快速 目前已经形成第一代 第二代和第三代f a c t s 控制嚣并存发展的髑面 1 3 4 电熊质量控制及改善措施 窀熬矮量莛供电装餮在正常工 乍情凝下不中叛鞠于撬麓户使用邀力的物理 特性 随糟电网中变频调速装置 电气化铁路等非线性 冲击性和不平衡负载 的不断增加 电能质量问题日益严艇 另一方灏 现代工业 商业和居民用户 粒嗣毫设餐霭毫能质羹提塞了更窝的要求 瑗代电力毫子竣糖曩经开始进入配 7 婴型查堂堡主兰些堕苎 竺 电系统并为解决电能质量控制提供了技术手段 近年来 国外提出了 用户电力技术 c u s t o mp o w e r 的概念 即使用电 力电子技术提高供电可靠性和实现严格控制电能质量 现阶段已经有了很多改 善和提高电能质量的装置 如电力有源和无源滤波器 配电用静态同步补偿器 动态电压恢复 功率因数校正 静态无功补偿 动态无功补偿和统一电能质量 调节器等 电磁兼容和谐波干扰是许多电气设备能否在应用现场可靠工作的主要障碍 之一 电力电子系统中的电磁兼容问题是由于其大功率与开关过程所引起的 同时由于对其电磁兼容性测量的困难 专门针对电力电子系统电磁兼容的研究 工作 目前还处于初级阶段 而在谐波抑制方面 主动型的谐波治理已经作了 较多的研究工作 1 3 5 电力电子变换技术 功率变换技术是电力电子技术中最重要 最基本的技术 为了满足高效率 高能量密度 快速响应 宽调节范围 低谐波失真和低成本的要求 功率变换 技术从不控 半控强迫换流技术发展到普遍采用p w m 控制和采用自关断器件 的换流技术 目前的特征是采用软开关技术 功率因数校正技术 消除谐波和 考虑电磁兼容 高压 大功率逆变技术是功率变换技术的最新发展动向 一方面是满足交 流变频调速和电力牵引等产业应用的需要 另一方面是在这一领域有很多挑战 性的前沿课题 如大功率开关容量 5 0 m v a 高耐压 9 0 0 0 v 大电流 6 0 0 0 a 的新型大功率器件 大功率逆变器的串并联和动态投切 新型多电 平逆变器 柔性交流输电系统等 都需要高压 大功率逆变技术 另外 低压 大电流d c d c 变换技术也是功率变换技术的发展方向之一 现代微处理器和一 些超大规模集成电路芯片 要求运行在低电压 2 4 3 3 v 大电流 1 3 a 状 态 而电路母线电压一般为5 1 2 v 这就需要对直流母线电压进行d c d c 变换 而且 随着芯片集成密度 运行速度的提高 工作电压进一步下降 电流进一 步增大 对该技术提出了更高的要求 13 6 逼近实际的电力电子仿真软件 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 逼近实际的电力电子仿真软件的开发对于快速设计和快速分析具有重要的 理论和实践意义 不仅可以模拟和仿真实际应用环境 用最短的时间和代价设 计所需要的产品 使在实际电路只需要做微小的调整或几乎不需要调整就能满 足要求 而且可以验证实验结果 帮助快速分析和解决问题 逼近实际的电力 电子仿真软件的开发是一个综合性很强的课题 现阶段主要有p s p i c e m a t l a b 的电力电子分析模块等 可以断言 逼近实际的电力电子仿真软件在未来必有 大的发展空间和广阔的应用空间 1 4 本文所做的工作 目前 中小功率的d c a c 系列电源逆变器在国内外已得到较为广泛的应 用 该系列电源逆变器就是把 1 2 v 或 2 4 v 的直流输入电压逆变为1 2 0 v a c 6 0 h z 或2 2 0 va c 5 0 h z 的交流输出电压 它可广泛的应用于家庭 办公 计算机等领域 本文比较了几种常见的高频链逆变电路的拓扑结构 提出了一种双组合式 单端反激双向电流源高频链逆变电路 详细分析了该拓扑结构的工作原理 工 作模式和控制方案 并设计了一台1 2 vd c 输入 2 2 0 v a c 输出的小功率电源 最后通过计算机仿真对拓扑结构的理论分析进行了验证 该变换器可以直接利 用高频变压器实现电压变换 隔离 和传递工频功率 通过合适的控制方案可 以实现功率的双向传输 并且能够适应各种不同的负载要求 婴型查兰堡主堂垡丝苎 竺 2 几种逆变技术的拓扑结构 2 1 传统的逆变技术 随着各行各业控制技术的发展和操作性能的提高 许多行业的用电设备都 不是直接使用通用交流电网的电能作为电源 而是通过各种形式对其进行变换 从而得到各自的电能形式 它们的幅值 频率 稳定度以及变化方式因用电设 备的不同而不尽相同 如通信电源 电弧焊电源 电动机变频调速器 加热电 源 汽车电源 化工电源 绿色照明电源 不间断电源 2 6 等 他们所使用的电 能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的 逆变器旧拥有广泛的应用场合 尤其在u p s 1 8 2 1 2 2 1 的应用中 随着计算机 的普及和广泛使用 用户对电网的要求越来越高 但是我国电网质量较差 所 以国内对u p s 的需求量越来越大 在传统的u p s 结构中 逆变器采用传统的逆 变技术 通常蓄电池电压为2 4 v 1 2 0 v 而输出电压为1 1 0 v 6 0 h z 或2 2 0 v 5 0 h z 因此在逆变器和输出端之间就必须加入一级工频变压器来调整电压比 其拓扑 结构如图2 1 所示 酽卧 图2 1 虽然该技术应用广泛 性能可靠而且技术成熟 但是仍有许多不足之处 l 工频变压器输出逆变电路的不足之处在于工频变压器体积大 比较笨重 滤除 输出电压高次谐波的输出滤波器体积大 笨重 对于输入电压及负载的波动 系统的动态响应特性比较差 如果增加逆变器的开关频率到2 0 k h z 以上 则可 以降低输出滤波器的体积和装置产生的音频噪声 还可以改善系统的动态响应 特性 但是工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关 只和输出电压的频率 有关 因此提高逆变器的开关频率不能减小输出变压器的体积 而且提高逆变 器的开关频率反而会增加器件的开关损耗 降低系统的转换效率 器川大学磺圣学位逾文 2 0 0 4 2 2 单向电压源高频链逆变器 高频链逆变技术 采用高频变压器代替了传统逆变技术中的工频变压器 憩够克服传统遂变技术鲍缺点 显凑提高递交瓣的薅性 其搽 结穆如图2 2 所示 野圉一爵匾 歼圃 图2 2 单向电压源高频链逆变器就魑在直流侧和逆变器之间攒入一级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 工频输出变压器 降低齑频噪声 蚕2 3 给出了一秘单囱电匿灏态频链遂交器豹拓羚臻稳 可以看出它商三 个部分构成 高频逆变电路 d c h f a c 高频艇流电路 h f a c d c 和低频 逆变电路 d c l f a c 高频逆变电路由t 1 t 2 和高频变压器组成的推挽电路 擒成 它挺较低螅壹淀藿邀 建电压 1 2 v 或2 4 v 逶过毫频囊压器逆变成方波 交流电压 并进行变压和电隔离 调节脉宽即可以改变方波的基波分量幅德 嘴5 0 扩 热嚣 j j 一i k a a 黼j j 鞫 i 镰 龆 撙 甲 描i k 一 i j 图2 3 闻羧式毫频链惫鼹又蘸为具有中闯直滚黪苓鼹毫频链电路 藤 甚懿中阗意 流环节就是指在高额逆变电路和低频逆变电路之间的直流环节 也就是高频整 流电路 它把高频逆变电路的高频交流方波电压通过全桥整流电路和输出滤波 删川大学硕士学位论文 2 0 0 4 器变成需要的高压直流 实现升压的目的 为了在电源输出端得到a c 2 2 0 v 5 0 h z 的交流 采用全桥电压源逆变电路 虽然单向电压源高频链逆变器目前应用较为广泛 但是还存在一些缺点 在高频变压器后设置了高频整流和工频逆变两极功率变换 这种含直流环节的 结构虽然应用较多 技术成熟 但功率变换次数太多 系统复杂 降低了系统 的可靠性 系统效率不高 由于高频整流环节的存在 功率只能由电源向负载 端传输 对于感性或容性负载 需要将无功功率反馈到电源时便产生困难 尽 管加大直流滤波电容 但还是不能避免电压泵升 为了解决这个问题 必须设计具有双向功率传输能力的直接变频电路 2 3 双向电压源高频链逆变器 针对单向电压源高频链逆变技术的缺点 提出了双向电压源高频链逆变技 术 2 3 其结构拓扑如图2 4 所示 酵匣卜匿h 圈一臣 图2 4 由图可见它主要由高频电压源逆变器 高频变压器和周波变换器三个部分 组成 该变换器实现逆变只需要经过两极功率变换 d c h f a c l f a c 这样就 对提高逆变器的效率和可靠性都起到了关键性的作用 与单向电压源高频链逆变技术相比较 它具有更少的功率变换极 降低了 变换器的通态损耗和系统的复杂性 提高了系统的效率和可靠性 图2 5 给出 了一种具有功率双向传输 1 2 1 1 1 5 1 7 功能的电压源直接变频电路的结构图 由图可见该电路由两部分组成 分别是高频逆变电路和直接降频电路 高 频逆变电路采用电压源单向全桥结构 由t l t 2 t 3 t 4 和d 1 d 2 d 3 d 4 组成 直接降频电路实际上是一只相敏整流电路 又称为周波变换电路 它 由双向开关t 5 t 6 d 5 d 6 和t 7 t 8 d 7 d 8 按单向全波整流结构组成 高频逆变电路是用正弦调制信号将直流电压调制成高频交流电压的调制电路 降频电路则是将高频能量解调成低频能量的解调电路 川大学硕士学位论文 2 0 0 4 a抛l l 毡衔 辫珊 r 整 一赢一澍零删 g 叫 j 0 一 n 莰 l l 嗣陡 1 一 p 毽 q 翻 薯3 嚣 肼 u 瞄 l 9 l 分1 n 一 鼍囊 i 一jl齐飘 鬻r 8 图2 5 电路的工作原理分析 各个时段的等效电路如图2 6 所示 假设负载为感性 图2 6 力 1 在输出低频电压的正半周 u 大于零时 变压器原边t 1 t 3 导通 变压器副边有t 5 d 6 导通 等效电路如图2 6 a 所示 输出电压 为正 当u 小于零时 变压器原边有t 2 t 4 导通 变压器副边有t 7 d 8 导通 等 效电路如图2 6 b 所示 输出电压u 为正 可以看出 随着变压器副边电压 u 极性的变化 双向开关中的t 5 d 6 和t 7 d 8 轮流导通 于是输出电压 为正的单极性脉冲列 由于i o 负载从电源吸收能量 2 在输出低频电压的负半周 当u 大于零时 变压器原边t 1 t 3 导 通变压器副边有t 8 d 7 导通 等效电路如图2 6 d 所示 输出电压u 为负 当u 小于零时 变压器原边有t 2 t 4 导通 变压器副边有t 6 d 5 导通 等 效电路如图2 6 c 所示 输出电压u 为负 可以看出 随着变压器副边电压 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 u 极性的变化 双向开关中的t 8 d 7 和t 6 d 5 轮流导通 于是输出电压乩 为负的单极性脉冲列 由于i o 负载从电源吸收能量 3 能量回馈模式 由于负载是感性的 所以当i o 时 变压器副 边t 6 d 5 斩波导通 负载能量向电源回馈 电路工作于能量回馈模式 等效 电路如图2 6 f 所示 当i o u o 依此类 推 当 0 时为临界连续 f 2 的平均电流i 称为临界连续电流 若 i d t 时 m 由导通转为关断 由于 原来存储在厶中的能量不能突变 为了维持电流连续 变压器初 次级绕组电 压反号 迫使二极管导通 i 0 电感能量逐步转化成电场能量向电容c 0 充 电和向负载供电 由图可见二极管d 一旦导通 变压器副边电压便被籀位在输 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 出宅压u o 懿水平上 帮暴c o 静数菹稷丈 输密电嚣无脉动 次缀绕组滚流f 将 线性下降 这种情况持续到t t 时为止 图3 7 a 电流连续模式 1 电流连续工作模式 电流连续工作模式的波形如闺3 7 a 所示 根据磁通平衡原则和u 的波形 舂 n u d d t u d t 3 1 以 m u 形a o 瓦d 而d 3 2 由式 3 2 可以看出 单端反激式电路属于升 降型电路 输出电联的大小 与受载无关 输密端吴鸯窀压溅特性 在c c m 状态下 初级电流的脉幼量记为a l 则 她 塑三 3 3 厶 在电路状态翌迭瞬间 变压器应满足 l i n 1 2 q n 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 2 电流断续模式 l n 1 2 m n 2 a 1 1 1 1 一 2 1 2 一 2 址l n 2 n l 警 孥一 3 4 n 2 u j d t 3 5 胛l 1 一 1 卜l南弋t 如 1o ti 摹z i f 图3 7 b 电流临界模式图3 7 c 电流断续模式 电流断续模式下的波形如图3 7 c 所示 可以看出变压器原边电感电流 的表达式为 f i t l l i 0 t 0 一d t t d t 一丁 变压器副边电感电流f 在d p t 时间内已经下降到零 根据i 的波形 处于d c m 状态下的负载电流i o 可以表示为 厶 委 d r l 妻 珥 3 6 知可 4孓 l 和 j孓 有 式 则即 由 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 根据u 麓波形有 n u d d t u o d p t 即 珥 n u jd 3 7 uo 一 将 3 5 3 7 代入 3 6 可得 铲百u j d 2 t t 鲁 p 趵 嶷式 3 8 可以看出 在d c m 状态下 输出邀压u o 耱受载嚷滚 戏反比 当负载电阻增大 减小时 输出电压u 将升高 当输出端开路 u o 将为无穷 大 戮诧 在开环祭 孛下 反激式电路不能空载运行 3 电流临界连续模式 电流临界连续模式介予电流连续校式和电流断续模式之闻 其交压器原 副边波形如图3 7 b 所示 变换器工作于这秘模式 输出电压鄹电流闻时满 足 3 2 和 3 8 式 将 3 2 代入 3 8 式可得到处于临界连续电流表达 式 k 等明 d 9 当d 0 5 时 脊最大值l 筹 嘲 式 3 毋 可以写或 i o c 4 i d 1 一d 3 1 1 荐将式 3 1 0 代入式 区闯b a 王 t 匿闻 主开关管关甄 电感上彀流小予负载魄波f 四川大学硕士学位论文 2 0 0 4 电容敖毫和电感一起提供受载毫滚 交歪器输爨端强季 结擒仍摇强3 一l l a 所 示 这时电容电压下降 b t 一 1 风 r 区间 主开关导通 电感上电流为 零 变压嚣输出灞拓扑结构如圈3 1 1 b 骈示 电容敖电维持负载电流 电容 电压继续下降 当t 1 d r r 时 电容电压降到最低u 当 正时 电容电压达到最大1 直 由f 2 的波形可以餐出 丁一f l r 二堡s 銎五 由上两式可以褥崮 f 一正2 d 一 0 5 对区间b 可以做以下近似 如图 3 1 0 曲线c 所示 即当电感电流小于 输出电流时 忽珞电惑电流静影确 这辩变换器输出灞匏掰羚结构蟊图3 1 1 b 所示 为一个r c 并联网络 输出电压为 乩 r e r l c o 于是输出电嚣 最 j 值为 u b u o e8 r l c 3 2 6 输出电压纹波的峰峰值u 为 u 瓯一一u 3 2 7 由 3 2 6 和 3 2 7 可得 器小e 赢 最 u 砜o p p p z s v 8 致c 砜 4 如果电路要求输出电压的纹波峰峰值与输出电压的平均值的比值为 u o p p 彪 3 2 9 u o 将 3 2 9 代入 3 2 8 式可得 q 蠢萧 3 3 0 凹型奎兰塑主兰竺堡兰 竺 3 开关器件的选择 a 主开关 流过主开关的电流波形就是变压器原边电感厶上的电流i l 当占 空比d d o 5 时 主开关上电流有最大值 根据电感电流f 的波形可以得 出 主开关上电流峰值 一 d 1 厶 主开关上电流平均值 小珂鲁砌 警 主开关上电流有效值 7 c 以 豢征 主开关管的阻断电压u u d u o n 在实际电路中 必须考虑变压器的漏感对主开关阻断电压的影响 选择主 开关时必须考虑一定的裕量 b 二极管的选取 二极管d 的电流指标是主开关管的电流指标的1 n 倍 但是 二极管耐电 流冲击能力很强 所以一般按照电流的平均值选取二极管的容量 二极管的阻断电压u b r 砜 鍪望查兰鏊圭茎竺鎏茎 麓 4 双组合式单端反激双向电流源高频链逆变电路 目前