推挽正激式高频环节逆变器研究(3)

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南京航空航天大学硕士学位论文

滤波器 高频逆变器 高频储能变压器 周波变换器 滤波器

图 1.4电流源高频环节逆变器电路结构图

滤波器 高频变换器 整流器 无功吸收支路 全桥逆变 滤波器

图 1.5高频脉冲直流环节逆变器电路结构图

1.2.3高频软开关逆变器

为了克服高频逆变器中功率器件高频开关的损耗和电磁干扰，高频逆变器的软开关技术得到发展[13~16]。逆变器的软开关技术有谐振式软开关技术和高频脉冲直流环节软开关技术等[1]。谐振式软开关技术分别对单级直流变换器和单级逆变器采用谐振式软开关技术，分级实现单向电压源高频环节逆变器的软开关，导致拓扑复杂、控制复杂。高频脉冲直流环节软开关技术采用一级变换器的软开关技术，综合实现单向电压源高频环节逆变器（级联的两级变换器）的软开关，电路拓扑简洁、变换效率高、成本低等优点[2]。其电路结构图如图1.5。该电路结构由高频变压器、高频整流器、无功吸收支路、逆变桥、以及输入、输出滤波器构成，具有单向功率流、准三级功率变换、逆变桥功率开关实现ZVS、变换效率高等优点。前级输出的高频脉冲直流电压波为后级逆变桥的功率管实现零电压开关开关创造了条件，无功吸收支路用做逆变桥无功能量的吸收。

1.2.4推挽正激式高频环节逆变器

高频脉冲直流环节逆变器针对不同的场合，其前级具有不同的输入电路。推挽正激式高频环节逆变器，由推挽正激DC/DC变换器、吸收回路和DC/AC逆变桥级联而成，如图1.6所示。前级推挽正激DC/DC变换器，先将不稳定的

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推挽正激式高频环节逆变器研究

输入电压Ui变换成后级DC/AC逆变桥所需要的高频脉冲直流电压uhf，经过尖峰吸收回路后，后级DC/AC逆变桥再将其变换成所需要的高频调制电压uAB。经输出滤波后得到输出电压uo。

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图 1.6推挽正激式高频环节逆变器电路拓扑图

推挽正激DC/DC变换器具有以下特点[1][2]：（1）功率管关断时漏感引起的漏源尖峰电压被箝位在2Ui，省去了缓冲电路，提高了变换效率；（2）功率开关管承受输入电流平均值一半和两倍的输入电压，功率管承受电流应力小，并且

（3）高频变压器输入电流iin的脉动量减小，降低了输入滤波器的体积和重量；

磁芯双向对称磁化，磁芯利用率高，变压器功率密度大。

从上面介绍可以看出，推挽正激式高频环节逆变器既可承受较大的输入电流，又可以在后级逆变桥实现零电压开关或则采用适当控制后实现低频开关，降低逆变桥功率管开关损耗。因此，它是低压大电流输入场合逆变器的较为理想拓扑。

1.3 逆变器主要控制技术

逆变器主要控制技术包括单电压型控制技术、电流滞环控制技术、 电压电流双闭环SPWM控制和数字控制技术等[17~22]。

1.3.1电压型控制技术

电压型单闭环控制框图及其空载时结构图，如图1.7所示，将逆变器输出电压反馈信号uof与基准电压信号ur进行比较，经误差放大器后得到误差信号ue，将此信号与载波交截，经适当的逻辑变换和驱动电路后控制逆变器。

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图 1.7电压型单闭环控制原理图

电压型控制技术具有如下特点：（1）单闭环反馈控制，较易设计和分析；（2）当输入电源电压、负载、元器件参数变化时，只有等到输出电压变化后，反馈环路才能调节输出电压，动态响应慢。

1.3.2电流滞环控制技术

电流滞环控制因为简单适用，是用途最广泛的一种控制技术，其控制原理如图1.8所示。电感电流反馈信号iLf与电压误差放大器输出的电流给定信号ir(ue)经迟滞比较器比较，当误差电流ie＝ir-iLf<h2时，功率开关就关断，iLf下降；当误差电流ie＝ir-iLf>h

1时，功率开关就开通。电流滞环控制技术可分为恒定迟滞环宽和可调迟滞环宽方式。恒定迟滞环宽方式的滞环宽度在电路调制过程中保持不变，开关频率大范围变化[23]。可调迟滞环宽方式，其滞环宽度在电路调制过程中不断变化，使开关频率以恒定的时钟信号频率为中心左右摆动，这种类型的控制技术称为准PWM电流滞环控制技术。

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(a) 系统框图 7

推挽正激式高频环节逆变器研究

iTSS

(b) 原理波形图

图 1.8电流滞环控制原理图

基于电流滞环控制技术的逆变器按其调制方式，可分为两态调制和三态调制。两态调制只有输出能量和回馈能量两个状态，在半个输出周期内，脉冲调制波双极性变化。三态调制除了有输出能量和回馈能量两个状态外，还有续流状态，在半个输出周期内，脉冲调制波单极性调制。两态调制与三态调制相比，调制频率高，动态响应速度快，但是电流脉动大，输出频谱特性差，而且由于没有续流状态回馈能量较大，对直流母线的影响较大。基于DPM电流滞环控制且三态调制的逆变器，称为三态DPM电流滞环控制逆变器，相应的控制技术称为三态DPM电流滞环控制技术。该控制技术使逆变器具有高变换效率、高可靠性等优良的综合性能，但开关频率的大范围变化，给逆变器带来了输出频谱特性不佳、输出滤波器设计难、滤波电感噪音较大等缺陷[24][25]。

1.3.3电压电流双闭环SPWM控制技术

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图 1.9电压电流双闭环控制技术原理图

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电压电流双闭环SPWM实质上属于电流型控制[26][27]，其控制思想和单电压环控制一样，只是内环增加了电流闭环控制。其控制原理如图1.9所示。

其控制因为增加了电流环反馈，比单电压环控制具有调节速度更快，动态相应更好等优点。电压电流双闭环SPWM控制比三态电流滞环控制具有输出电压频谱特性好，输出滤波器易于设计，滤波器体积重量小等优点。针对本文的推挽正激式高频环节逆变器，采用SPWM控制可以实现该逆变器的后级逆变桥的低频开关，降低逆变桥功率管的开关损耗，提高逆变器效率。

1.3.4数字控制技术

当今，采用各种新的控制技术来进一步提高逆变器的稳态和动态特性，已成为人们的研究热点。在实现控制的硬件手段上，微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路。基于微处理器、DSP的数字控制技术因其可重复性强、耐用性强、适应性强等优点[28][29]，越来越受到了人们的重视。

但是，由于受A/D转换和芯片运算速度的限制，数字控制技术的直接应用仍然多数局限于电动机控制，鉴于目前数字控制芯片的运算速度，逆变器若完全采用数字控制，由此造成的延迟时间在高频开关下将变得不可忽略，可能导致畸变。数字控制技术在逆变器的瞬时控制上，目前还不能完全替代模拟控制技术。

1.4本文研究内容和意义

高频环节逆变器具有体积重量小，输出电压性能好等优点，但是功率管的开关损耗和电路的电磁干扰限制了进一步提高开关频率以提高逆变器性能。逆变器的软开关技术是进一步提高开关频率后要解决的问题。本文把传统的电压电流双闭环控制技术应用于高频脉冲直流环节逆变器，降低了逆变桥的开关频率，降低了逆变桥的功率管开关损耗。针对适合于低压大电流输入场合的推挽正激式高频环节逆变器，本文对该逆变器的技术基础、控制策略、原理特性、关键电路参数设计准则等进行了深入研究。最后把该逆变器应用于航空电源场合（27VDC/115V400HzAV）场合进行实验验证。仿真和实验结果表明采用SPWM控制技术的推挽正激式高频环节逆变器具有以下特点。

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