高频链逆变电源设计分析

 摘   要： 首 先 简 要 地 介 绍 了 逆 变 电 源 采 用 高 频 链 逆 变 技 术 的 优 势 ， 然 后 具 体 针 对 1 000 VA高 频 链 逆 变 电 源 进 行 了 主 电 路 和 控 制 方 案 的 设 计 ， 并 对 设 计 中 可 能 出 现 的 问 题 进 行 了 考 虑 ， 最 后 给 出 了 相 应 的 仿 真 波 形 和 实 验 波 形 ， 证 明 了 该 逆 变 电 源 具 有 良 好 的 性 能 。
    关键词： 高 频 链 ； 周 波 变 换 器 ； 逆 变 器 ； 移 相 控 制

1 引 言
    在 传 统 的 逆 变 电 源 中 ， 由 于 大 部 分 采 用 的 都 是 逆 变 器 — 工 频 变 压 器 — 滤 波 器 的 结 构 ， 使 得 整 个 逆 变 电 源 又 大 又 笨 重 ， 难 以 满 足 人 们 对 现 代 电 源 高 功 率 密 度 、 高 效 率 、 高 可 靠 性 、 小 型 轻 量 化 的 要 求 ， 而 且 由 于 制 造 工 频 变 压 器 需 消 耗 大 量 的 铁 和 铜 ， 所 以 使 整 个 逆 变 电 源 的 造 价 很 高 。 为 了 克 服 传 统 逆 变 器 的 缺 点 ， Mr. ESPELAGE于 1977年 提 出 了 高 频 链 技 术 的 概 念 ， 并 由 于 高 频 链 技 术 能 够 大 大 减 小 逆 变 电 源 的 重 量 和 体 积 ， 所 以 成 为 国 内 外 争 相 研 究 的 热 点 。
    高 频 链 技 术 是 指 利 用 高 频 开 关 技 术 使 隔 离 耦 合 变 压 器 实 现 高 频 化 、 小 型 化 、 无 噪 声 化 的 技 术 。 由 于
    U=4.44fNBS
式 中 ： U为 正 弦 电 压 有 效 值 （ V） ；
         f为 正 弦 电 压 频 率 （ Hz） ；
         N为 绕 组 匝 数 （ 匝 ） ；
         B为 铁 心 磁 通 密 度 （ T） ；
         S为 铁 心 的 横 截 面 积 （ m2） 。
    所 以 ， 当 电 压 和 铁 心 材 料 选 定 时 ， f与 NS成 反 比 ， 即 f越 大 ， NS越 小 ， 这 样 就 可 以 达 到 减 小 变 压 器 的 体 积 和 重 量 的 目 的 。
    本 文 针 对 电 气 化 铁 路 中 广 泛 应 用 的 25 Hz逆 变 电 源 进 行 了 高 频 链 设 计 。
2 主 电 路 的 设 计
    随 着 高 频 链 技 术 的 不 断 成 熟 ， 现 在 从 结 构 上 主 要 分 为 二 类 ， 即 高 频 链 DC/DC变 换 型 和 高 频 链 周 波 变 换 型 。
    高 频 链 DC/DC变 换 型 就 是 在 传 统 逆 变 电 源 的 直 流 侧 和 逆 变 器 之 间 加 入 一 级 DC/DC变 换 器 ， 由 于 DC/DC变 换 器 采 用 的 是 高 频 变 换 ， 所 以 电 路 中 使 用 的 是 高 频 变 压 器 ， 这 样 就 可 以 省 掉 体 积 庞 大 的 工 频 变 压 器 ， 其 电 路 结 构 如 图 1（ a） 所 示 。 虽 然 DC/DC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 等 缺 点 。
    高 频 链 周 波 变 换 型 主 要 由 高 频 电 压 源 逆 变 器 、 高 频 变 压 器 和 周 波 变 换 器 组 成 ， 其 电 路 结 构 如 图 1(b)所 示 。 与 高 频 链 DC/DC型 相 比 ， 该 逆 变 器 实 现 逆 变 只 经 过 两 级 功 率 变 换 ， 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 ， 而 且 功 率 可 以 实 现 双 向 流 动 。 本 文 介 绍 高 频 链 周 波 变 换 型 的 主 电 路 设 计 。

    具 体 实 现 时 ， 高 频 逆 变 器 可 以 采 用 推 挽 式 、 半 桥 式 和 全 桥 式 ， 周 波 变 换 器 可 以 采 用 全 波 式 、 全 桥 式 。 考 虑 到 输 出 电 压 和 功 率 的 设 计 要 求 ， 最 终 确 定 的 电 路 结 构 如 图 2所 示 。 图 中 ， Ui为 输 入 直 流 电 压 ， S1、 S2、 S3、 S4组 成 全 桥 逆 变 器 ， T为 高 频 变 压 器 ， K1、 K2、 K3、 K4是 由 2个 反 向 串 联 的 MOSFET组 成 的 双 向 开 关 ， 共 同 组 成 全 桥 式 周 波 变 化 器 ， L、 C组 成 LC滤 波 器 。

3 控 制 方 法 及 其 实 现
    本 文 的 高 频 链 周 波 变 换 型 采 用 移 相 控 制 方 案 ， 移 相 控 制 是 近 年 来 在 全 桥 变 换 电 路 拓 扑 中 广 泛 应 用 的 一 种 控 制 方 式 。 移 相 控 制 的 基 本 工 作 原 理 为 ， 全 桥 变 换 电 路 每 一 个 桥 臂 的 两 个 开 关 管 互 补 导 通 ， 两 个 桥 臂 的 开 关 管 导 通 之 间 相 差 一 个 相 位 ， 即 所 谓 的 移 相 角 。 通 过 调 节 此 移 相 角 的 大 小 ， 来 调 节 输 出 电 压 脉 冲 宽 度 ， 达 到 调 节 相 应 的 输 出 电 压 的 目 的 。
    系 统 工 作 原 理 如 图 3所 示 ， 输 入 的 220 V /50 Hz交 流 市 电 经 过 整 流 滤 波 后 变 成 300 V左 右 的 直 流 ， 然 后 经 过 全 桥 逆 变 器 的 高 频 逆 变 ， 输 出 25 kHz相 邻 脉 冲 互 为 反 极 性 的 SPWPM（ 正 弦 脉 宽 脉 位 调 制 ） 波 ， 该 波 形 含 有 SPWM波 的 全 部 信 息 ， 但 不 含 25 Hz调 制 波 的 频 率 成 分 ， 适 合 于 高 频 变 压 器 传 输 。 SPWPM波 通 过 高 频 变 压 器 隔 离 后 ， 用 周 波 变 换 器 同 步 整 流 ， 把 25 Hz正 半 周 时 间 内 的 负 脉 冲 翻 转 成 正 脉 冲 ， 把 25 Hz负 半 周 时 间 内 的 正 脉 冲 翻 转 成 负 脉 冲 之 后 ， 将 得 到 25 Hz的 单 极 性 SPWM波 （ 如 图 3中 uA′ B′ 所 示 波 形 ） 。 SPWM波 通 过 LC滤 波 ， 则 输 出 光 滑 的 220 V/ 25 Hz的 正 弦 交 流 电 压 。

    为 了 实 现 上 述 的 移 相 控 制 策 略 ， 本 文 采 用 了 用 模 拟 电 路 实 现 PID调 节 ， 用 数 字 电 路 CPLD（ 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 ） 来 实 现 驱 动 信 号 的 时 序 和 逻 辑 控 制 的 设 计 方 法 。 这 种 方 法 使 得 整 个 控 制 器 的 集 成 度 提 高 ， 可 靠 性 增 强 ， 而 且 为 控 制 电 路 的 设 计 提 供 了 一 定 的 灵 活 性 。 整 个 控 制 环 节 分 为 内 环 和 外 环 两 条 控 制 电 路 ， 内 环 为 电 压 瞬 时 值 比 例 （ P） 调 节 ， 外 环 为 电 压 平 均 值 的 比 例 积 分 （ PI） 调 节 。 由 于 内 环 响 应 速 度 快 ， 可 以 改 善 电 压 的 瞬 时 波 动 造 成 的 波 形 畸 变 ， 外 环 可 以 使 整 体 的 稳 压 的 特 性 变 硬 ， 从 而 达 到 良 好 的 稳 压 效 果 。
    具 体 实 现 上 如 图 4所 示 ， 输 出 电 压 Uo经 过 反 馈变 压 器 变 换 得 到 反 馈 电 压 ， 再 经 过 精 密 整 流 电 路 后 ， 与 5 V的 参 考 电 压 相 减 ， 得 到 的 偏 差 进 行 PI调 节 ， 然 后 与 基 准 正 弦 半 波 相 乘 得 到 内 环 瞬 时 电 压 偏 差 的 正 弦 参 考 电 压 ； 内 环 的 瞬 时 电 压 反 馈 信 号 经 过 比 例 环 节 后 ， 与 参 考 电 压 相 减

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