基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變器研究

1、第24卷第1期2005年1月電工電能新技術(shù)Vol.24,No.1Jan.2005基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變器研究孫向東,任碧瑩,鐘彥儒(西安理工大學(xué),陜西西安710048)摘要:本文將移相控制、LCC諧振電路與SPWM控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合,提出了一種單相軟開關(guān)高頻鏈逆變電路拓?fù)?它主要由單極性移相控制逆變器、LCC諧振電路、高頻變壓器、周波變流器和低通濾波器組成。在深入分析了它的工作原理、,針對阻性負(fù)載進(jìn)行了開環(huán)實驗,關(guān)鍵詞:單極性移相控制;LCC諧振;M;中圖分類號:TM91:23076(2005)01200182041引言隨著功率半導(dǎo)體器件和微機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展,高頻鏈軟開關(guān)技術(shù)也獲得

2、了廣泛應(yīng)用。從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看,高頻鏈逆變器分為DCDC變換型和周波變流型兩種。前者應(yīng)用較廣,但功率級較多,導(dǎo)致效率和可靠性不夠理想,適用于功率單向流動場合。后者省去直流環(huán)節(jié),因此只需二級功率變換,減小了逆變器通態(tài)損耗,提高了效率和可靠性。但周波變1流器換流時,存在電壓尖峰現(xiàn)象,需要吸收網(wǎng)絡(luò),從而降低了可靠性和增加了電路復(fù)雜性。本文結(jié)合恒頻移相控制、LCC諧振電路與SP2WM控制技術(shù),提出一種基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變電路,該電路最大限度地實現(xiàn)了軟開關(guān)特性的同時,也解決了周波變流器開關(guān)換流時的電1壓尖峰問題。通過電路分析和實驗,證明該電路拓?fù)涫菍嵱每尚械?。通過濾波電感Lf和電容Cf濾除其

3、高頻分量,只剩下低頻正弦信號,從而獲得正弦度較好的低頻交流輸出電壓Vo,如圖2所示。圖1基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變電路Fig.1Constant2frequencyphase2shiftedHFlinkinverteronthebasisofLCCresonantcircuit2新型軟開關(guān)高頻鏈逆變電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,前級電路由LCC諧振式全橋移相電路和高頻變壓器組成。后級電路由周波變流器和低通濾波器組成。前級電路控制移相角按正弦規(guī)律變化,使諧振電容電壓脈沖列的幅值追蹤參考正弦電壓信號,在諧振電容電壓Vcp的過零點,雙向開關(guān)組成的周波變流器進(jìn)行開關(guān)切換,變換成輸出電壓V2,然后收稿日期

4、:2003210215基金項目:陜西省自然科學(xué)基金資助項目;陜西省教育廳基金資助項目(04JK198)作者簡介:孫向東(19712),男,遼寧籍,副教授,博士,主攻變頻調(diào)速系統(tǒng),高頻鏈逆變技術(shù),開關(guān)電源等。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 圖2工作原理波形Fig.2Waveformsofworkingprinciple第1期孫向東,等:基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變器研究193控制方法分析2,3器開關(guān)過程不設(shè)死區(qū)時間,而是將S5和S6或S7和S8

5、同時直通,使高頻變壓器剩余儲能迅速放掉,這前級移相全橋開關(guān)S1S4的控制方法如圖3所示。首先,將三角載波信號Uc和正弦半波調(diào)制信號Um進(jìn)行單極性調(diào)制,形成正弦脈寬調(diào)制信號Ucmp:當(dāng)三角載波信號Uc高于調(diào)制信號Um時,輸樣可以有效地抑制電壓尖峰,同時防止電壓尖峰疊加在高電壓上,保證開關(guān)安全換相。4移相全橋電路工作情況分析4,5出低電平;當(dāng)三角載波信號Uc低于調(diào)制信號Um時,輸出高電平。其次,將Ucmp信號的下降沿和上升沿分別作為二分頻電路的時鐘觸發(fā)信號,從而獲得開關(guān)S1和S4的控制信號。最后,根據(jù)互補關(guān)系得到S2和S3控制信號。定義臨界移相角0,表示滯后橋臂由零電壓開通過渡為零電流關(guān)斷時的角度

6、。設(shè)計移相電路開關(guān)頻率大于諧振頻率,則在一,<0、0,注入諧振網(wǎng),因此著重分析上述情由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于逆變器輸出頻率,所以一個開關(guān)周期內(nèi),整個后級電路等效為電流源IE。如圖4所示,它由8種開關(guān)模式組成。(a)開關(guān)模式1和(b)開關(guān)模式2諧振電流流經(jīng)D1和S3。當(dāng)諧振電流到零時,D1軟恢復(fù)阻斷,S3零電流關(guān)斷。(c)開關(guān)模式3諧振電流經(jīng)S1、D3流動,此時S1零電壓開通。(d)開關(guān)模式4D3硬恢復(fù)阻斷,S4硬開通。諧振電流經(jīng)過S1、S4流動。(e)開關(guān)模式5和(f)開關(guān)模式6S1硬關(guān)斷,諧振電流流經(jīng)D2和S4。當(dāng)諧振電流到零時,D2軟恢復(fù)阻斷,S4零電流關(guān)斷。(g)開關(guān)模式7諧振電流經(jīng)S2

7、、D4流動,此時S2零電壓開通。圖3控制方法波形Fig.3Waveformsofcontrolmethod(h)開關(guān)模式8D4硬恢復(fù)阻斷,S3硬開通。諧振電流經(jīng)過S2、S3流動。表1雙向開關(guān)控制規(guī)律Tab.1Controlrulesofbi2directionalswitchesVsinrefVcpS5(S8)S6(S7)極性+-極性+-+-狀態(tài)onoffoffon狀態(tài)offononoff由此可見,此時移相電路超前橋臂開關(guān)零電壓開通,其反并聯(lián)二極管軟恢復(fù)阻斷,滯后橋臂開關(guān)零電流關(guān)斷,其反并聯(lián)二極管硬恢復(fù)阻斷。5實驗結(jié)果根據(jù)上述分析,設(shè)計了一臺開環(huán)控制的原理樣機(jī)。所用參數(shù):H,Vin=100V,

8、Vo=220V,Po=150W,Lr=240F,Cs=1.2Cp由于周波變流器的輸入電壓是高頻交流信號,因此雙向開關(guān)S5S8必須如表1進(jìn)行動作,才能達(dá)到輸出交流正弦電壓的目的,如圖3所示。由于周波變流器在ZVS條件下開通和關(guān)斷,因此周波變流=F,0.45fc=40kHz,fr=18kHz,高頻變壓器匝比N=12,Lf=5mH,F,R=180,90°Cf=0.1。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 20電工電能新技術(shù)第24卷<圖50時uA

9、B電壓和開關(guān)管電流展開波形Fig.5WaveformsofvoltageuABandswitchingcurrentsinconditionof<>圖60時開關(guān)管驅(qū)動信號及其電流展開波形圖4移相角>0的電路開關(guān)模式Fig.4Workingmodesinconditionof>0Fig.6Drivingsignalsandswitchingcurrentsinconditionof>0© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1

10、期孫向東,等:基于LCC諧振的恒頻移相高頻鏈逆變器研究參考文獻(xiàn)(References):21圖5(a)和(b)表明移相角<0時,移相電路所有開關(guān)ZVS開通。圖6(a)和(b)表明移相角>0時,超前橋臂ZVS開通,滯后橋臂ZCS關(guān)斷。1MMatsui,MNagai,MMochizuki,etal.High2frequencylinkDCACconverterwithsuppressedvoltageclampcircuits2natu2rallycommutatedphaseanglecontrolwithselfturn2offdevicesJ.IEEETrans.Ind.Appl

11、.,1996,32(2):2932300.2陳道煉,李磊(ChenDaolian,LiLei).電壓源高頻交流環(huán)節(jié)ACAC變換器原理研究(ResearchonprinciplesofthevoltagemodeACACconverterswithhighfrequencyAClink)J.電工技術(shù)學(xué)報(Trans.ChinaElectrotechnicalSoci2ety),2001,16(6):25230.3陳道煉,(Chenoujun).單極性移(Researchonuni2phaseshiftinghighfrequency中電機(jī)工程學(xué)報(Proc.ofthe),2003,23(4):2

12、7230.4KOguchi,EIkawa,YTsukiori.Athree2phasesinewavein2vertersystemusingmultiplephase2shiftedsingle2phaseresonantinvertersJ.IEEETrans.Ind.Appl.,1993,29(6):107621083.5VBelaguli,AKSBhat.OperationoftheLCC2typeparallelresonantconverterasalowharmonicrectifierJ.IEEETrans.Ind.Appl.,1999,46(2):2882299.圖7表明周波

13、變流器輸出電壓V2過零時,開關(guān)控制信號進(jìn)行動作,因此周波變流器的雙向開關(guān)為ZVS開通和關(guān)斷,同時可以看出在輸出電壓V2上沒有出現(xiàn)電壓尖峰,表明高頻變壓器的副邊電壓V1上也沒有電壓尖峰,因此可知高頻變壓器的剩余儲能得到了有效釋放。圖7S5、S8控制信號和V2電壓展開波形Fig.7ControlledsignalofS5andS8andunfoldedwaveformofvoltageV26朱建華,羅方林(ZhuJianhua,LuoFanglin).多元件功率諧振變換器的小信號模型(Small2signalmodelofmulti2ele2mentpowerresonantconverter)J

14、.電工電能新技術(shù)(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2003,22(2):125.7王汝文,姚建軍,姚曉莉(WangRuwen,YaoJianjun,YaoXiaoli).零電流開關(guān)電流源諧振逆變器拓?fù)浜蛥?shù)計算(Acircuittopologyofresonantinverteroperatingatzerocurrentswitchmodeanditsparametercalculations)J.電工電能6結(jié)論通過分析和實驗可知,當(dāng)諧振電流連續(xù)時,得出如下結(jié)論:(1)當(dāng)移相角<0時,移相電路所有開關(guān)為ZVS開通;(2)當(dāng)移相角>0時,移相電路的

15、超前橋臂ZVS開通,滯后橋臂ZCS關(guān)斷;(3)周波變流器實現(xiàn)了ZVS開關(guān),解決了開關(guān)新技術(shù)(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2001,20(3):14218.8王國禮,金新民(WangGuoli,JinXinmin).LCC諧振網(wǎng)絡(luò)在有源吸收電路中的應(yīng)用(ApplicationofLCCresonantnetworkinactivesnubbercircuit)J.電工電能新技術(shù)(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2001,20(3):64267.切換時的電壓尖峰問題。ResearchonaLCCresonance2basedp

16、hase2shift2controlledhigh2frequencylinkinverterSUNXiang2dong,RENBi2ying,ZHONGYan2ru(XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)Abstract:Asingle2phasehighfrequency(HF)linkinverterforsoft2switchinginwhichconstant2frequencyphase2shiftedLCCresonantcircuitandSPWMcontroltechniqueareintegratedtightlyisproposed.Theinverteriscomposedofuni2po2larityphase2shift2controlledinverter,LCCresonantcircuit,HFtransformer,cycloconverterandlow2passfilter.Itswork2ingprinciple,controlmethodandworkingmodesinCCMareanalyzedindetailfortheresistiveload,andtheexperimentsa