高頻鏈技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

目前,DC／AC逆變電源已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用,而且在新能源,如太陽能電池、燃料電池等的DC／AC變換中也得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的低頻逆變技術(shù),采用的是工頻變壓器,具有體積大、重量大、音頻噪聲大等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn),Mr. Espelage于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念,利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離,減小了變壓器的體積和重量,該系統(tǒng)由一個(gè)并聯(lián)逆變器和12個(gè)晶閘管組成的周波變換器構(gòu)成,具有簡(jiǎn)單的自適應(yīng)換流、高頻電氣隔離、獨(dú)立的有功能量和無功能量控制、固有的四象限工作能力等優(yōu)點(diǎn),但受當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件的限制,諧振儲(chǔ)能電路工作頻率局限在2~4kH。范圍,未完全體現(xiàn)高頻鏈逆變技術(shù)的優(yōu)越性。近年來,隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展,高頻鏈技術(shù)引起人們?cè)絹碓蕉嗟呐d趣。
??? 高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器替代了低頻逆變技術(shù)中的工頻變壓器,克服了低頻逆變技術(shù)的缺點(diǎn),顯著提高了逆變器的符性。高頻鏈逆變技術(shù)按功率的傳輸方向可分為單向型和雙向型,按功率變換器的類型町分為電壓源型和電流源型。

1 高頻鏈逆變器簡(jiǎn)介
??? 傳統(tǒng)的低頻逆變電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在把直流逆變成各種工作頻率的交流這一科研領(lǐng)域中,國內(nèi)外許多的專家和學(xué)者都進(jìn)行了大量的深入研究,以期去掉低頻變壓器,從而達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量,提高效率等目的。

??? 單向高頻鏈逆變電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,兩次使用了逆變器,一次是通過逆變獲得高頻,以便利用高頻變壓器進(jìn)行變壓和隔離,再經(jīng)高頻整流得到所需電壓等級(jí)的直流,第二次是為了獲得低頻正弦交流電壓,具有單向功率流、三級(jí)功率變換(DC一HFAC—DC—LFAC)、輸出電壓紋波小、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn),但是環(huán)節(jié)多增加廠功率損耗,而且隨著開關(guān)頻率的升高,采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)方案時(shí)存在過大的功率器件損耗和嚴(yán)重的電磁干擾問題。

??? 為了提高高頻逆變電路的效率,以期直接利用高頻變壓器同時(shí)完成變壓、隔離、SPWM逆變的任務(wù),因此提出了雙向高頻鏈逆變技術(shù),如圖3所示。由于少用了一級(jí)功率逆變器,從而達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量、提高效率的目的,為實(shí)現(xiàn)電力電子沒備的高頻、高效、高功率密度創(chuàng)造了條件。

2 雙向電壓源高頻鏈逆變器
??? 雙向電壓源高頻鏈逆變拓?fù)渥迦鐖D4所示,從輸入側(cè)逆變級(jí)看,推挽式電路適用于低壓輸入變換場(chǎng)合;半橋和全橋電路適用于高壓輸入場(chǎng)合。從輸出側(cè)周波變換級(jí)看,全波式電路功率開關(guān)電壓應(yīng)力高,功率開關(guān)數(shù)少,變壓器繞組利用率低,適用于低壓輸出變換場(chǎng)合;全橋式電路功率開關(guān)電壓應(yīng)力低,功率開關(guān)數(shù)多,變壓器繞組的利用率高,適用于高壓輸出場(chǎng)合。

??? 雙向電壓源高頻鏈逆變器具有雙向功率流,減少了功率變換級(jí)數(shù)的優(yōu)點(diǎn),但卻存在一個(gè)固有的缺點(diǎn),即采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)的輸出周波變換器換流時(shí)阻斷了高頻變壓器漏感中連續(xù)的能量,于是導(dǎo)致高頻變壓器和輸出周波變換器之間出現(xiàn)電壓過沖。因此,這類逆變器通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲(chǔ)在漏感中的能量,從而增加了功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜
性。同時(shí)還要保證高頻變壓器在低頻交流信號(hào)的正負(fù)半周單極性往復(fù)工作中避免變壓器磁芯飽和,確保低頻交流信號(hào)被線性傳遞。
??? 針對(duì)電壓過沖問題,專家和學(xué)者們不斷尋求更好的方法,提出了一些新的控制策略和技術(shù),如換流重疊的單極性、雙極性移相控制技術(shù),它通過控制高頻逆變器和周波變換器的相移來調(diào)節(jié)輸出電壓和功率流向,實(shí)現(xiàn)周波變換器功率管的自然換流,消除了電壓尖峰;還有將串聯(lián)諧振技術(shù)和雙向電壓源高頻鏈逆變器相結(jié)合的技術(shù)。
??? 針對(duì)磁芯飽和問題,提出了一些新的電路拓?fù)?現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹兩個(gè)改進(jìn)的電路,如圖5所示。圖5(a)中變壓器原邊的兩個(gè)正激變換器將高頻單極性SPWM脈沖序列分成兩組驅(qū)動(dòng)脈沖,這兩個(gè)正激變換器是由這兩組SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制的,因此最大的工作占空比可以大于0.5,不存在磁芯飽和的問題,且具有較低的電壓應(yīng)力。而副邊兩個(gè)主開關(guān)管是由與輸出頻率相同的低頻方波控
制的,因此控制簡(jiǎn)單,且易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),能夠降低開關(guān)損耗和減少噪聲。同時(shí)副邊還增加了兩個(gè)能量反饋電路,因此給感性電流提供了通路,避免了電壓過沖的發(fā)牛。圖5(b)實(shí)質(zhì)為共用一個(gè)變壓器鐵芯和副邊的兩個(gè)單端反激變換器,由它完成對(duì)低頻電功率的變壓、隔離、傳遞的任務(wù),但由于當(dāng)開關(guān)管接收控制信號(hào)脈沖列導(dǎo)通吋,在低頻調(diào)制信號(hào)的正半周和負(fù)半周內(nèi),施加在變壓器繞組上的是同一方向的電壓,變樂器磁芯中的磁通可能將級(jí)進(jìn)地逐漸增加,導(dǎo)致磁芯飽和,造成磁偏或單向磁化,導(dǎo)致低頻電信號(hào)放大失真或由于很大的磁化電流而無法正常工作,因此提出了逐個(gè)脈沖磁復(fù)位技術(shù),就是在每個(gè)高頻脈沖之后及時(shí)采取措施．使每個(gè)高頻脈沖引起的磁通增加都回復(fù)到零,從而避免磁芯飽和。

3 電流源高頻鏈逆變器
??? 基于Buck(Forward)變換器的單向、雙向電壓源高頻鏈逆變器,雖然具有單向或雙向功率流、變換效率高、輸出容量大、輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn),但是,電壓源高頻鏈逆變器在負(fù)載過載甚至短路時(shí),其功率開關(guān)電流的上升率將比正常工作時(shí)大得多,縮短了保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。而基于Buck—Boost(Flvback)變換器的電流源高頻鏈逆變器,其高頻變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓調(diào)整功能,而且能存儲(chǔ)能量,因此,其儲(chǔ)能式變壓器的電感能夠起到限流作用,在負(fù)載過載甚至短路時(shí),其功率開關(guān)電流的上升率與正常工作時(shí)相同,為功率開關(guān)的保護(hù)電路贏得了足夠的動(dòng)作時(shí)間,其可靠性將比電壓源高頻鏈逆變器高。
??? 電流源高頻鏈逆變器拓?fù)渥迦鐖D6所示。單管單向式電路由于只能單向傳遞功率、負(fù)載適應(yīng)能力差,只適用與對(duì)輸出電壓波形要求不高的小功率阻性負(fù)載場(chǎng)合。單管雙向式、推挽式電路能雙向傳遞功率、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng);推挽式又比單管雙向式有更少的功率開關(guān)數(shù)和更小的一次側(cè)功率開關(guān)電流應(yīng)力,適用于低壓輸入的小功率逆變場(chǎng)合。半橋和全橋式電路也能雙向傳遞功率、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng),適用于高壓輸入的小功率逆變場(chǎng)合,但半橋式存在兩個(gè)橋臂電容電壓嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象。

??? 雙向電流源高頻鏈逆變器解決了雙向電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過沖問題,而且與電壓源高頻鏈逆變器相比,具有更簡(jiǎn)潔的電路拓?fù)?、更高的可靠性、控制方案?jiǎn)單、效率高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好等優(yōu)點(diǎn),因而在小功率場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景,但其輸入電流、輸出電壓紋波大,僅適用于小功率場(chǎng)合,中大功率的逆變場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先選用電壓源高頻鏈逆變器。

4 直流變換器型高頻鏈逆變技術(shù)
??? 直流變換器型高頻鏈逆變器由直流變換器和極性反轉(zhuǎn)逆變橋構(gòu)成,包括單向直流變換器型、雙向直流變換器型和雙向正反激組合直流變換器型等高頻鏈逆變器電路結(jié)構(gòu),具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、直流變換級(jí)工作在SPWM(輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬)、極性反轉(zhuǎn)逆變橋功率開關(guān)電壓應(yīng)力低且為ZVS、輸出濾波器負(fù)載減輕等優(yōu)點(diǎn)。逆變器類型由前置直流變換級(jí)類型決定,包括電壓源和電流源兩
類。雙向直流變換器型高頻鏈逆變框圖如圖7所示。

5 三相電壓源型高頻鏈逆變技術(shù)
??? 現(xiàn)代逆變電源主要向如下幾個(gè)方向發(fā)展,如高頻功率變換、交流側(cè)單位功率團(tuán)數(shù)、低電磁干擾、體積小重量輕、雙向功率流等。單相高頻鏈技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,隨著應(yīng)用場(chǎng)合范圍的擴(kuò)大和對(duì)功率要求的提高,三相高頻鏈技術(shù)也開始被重視并發(fā)展,主要是改進(jìn)控制方法來降低功率損耗。
??? 三相高頻鏈典型的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,由電壓源逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成。逆變器輸出高頻電壓,變壓器將高頻輸入和輸出進(jìn)行隔離,周波變換器提供三相脈寬調(diào)制電壓。逆變器是由4個(gè)ICBT和4個(gè)反并聯(lián)二極管以單相橋方式組成,周波變換器是由6個(gè)雙向開關(guān)管以三相橋方式組成。

??? 為了獲得正弦輸出,專家和學(xué)者們提出了許多不同的方法,如正弦波脈沖幅度調(diào)制、由鋸齒波做參考信號(hào)、積分環(huán)控制、空間矢量調(diào)制、差頻調(diào)制等,同時(shí)還提出了混合調(diào)制的方法,這種方法是基于載波調(diào)制、空間矢量調(diào)制(SVM)和數(shù)字標(biāo)量調(diào)制(DSM)之間的相關(guān)性而提出的。
??? 周波變換器和三相逆變器的工作原理是相似的,只是三相逆變器的輸入是一個(gè)直流電壓,而周波變換器的輸入是一個(gè)正負(fù)交替變換的方波電壓,因此,當(dāng)周波變換器的輸入電壓為正時(shí),周波變換器的PWM信號(hào)和三相逆變器的PWM信號(hào)相同,而當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí),周波變換器的PWM信號(hào)正好和三相逆變器的PWM信號(hào)相反,如圖9所示,而且當(dāng)三相逆變器的PWM信號(hào)和逆變器輸出電壓的極性同步時(shí),周波變換器的開關(guān)頻率最小。

??? 為了降低周波變換器的開關(guān)損耗,也提出了許多方法和策略,如非諧振ZV5、電源換相(soure commutation)(即ZCS)和電壓箝位及其它們的改進(jìn)方法。
5.1 非諧振ZVS技術(shù)
??? 圖10中的虛線是圖9中的PWM信號(hào)和逆變器輸出電壓信號(hào),但只有在周波變換器輸出的最大寬度電壓內(nèi)才要求逆變器必須輸出電壓,在半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的其他時(shí)間逆變器的輸出都為O,因此,周波變換器PWM信號(hào)的邊界可以移到逆變器輸出為0的區(qū)域,如圖10所示,開關(guān)器件都是在零電壓期間進(jìn)行開通和關(guān)斷。
??? 圖11為空間矢量圖,它是由6個(gè)向量(V1~V6)和兩個(gè)零向量(V0和V7)構(gòu)成的,分成6個(gè)區(qū)間。圖12是當(dāng)周波變換器輸入電壓為(a)時(shí),傳統(tǒng)PWM(b)和非諧振ZVS PWM(c)兩種模式在區(qū)域V中的波形圖。由于上述非諧振ZVS只能在從一個(gè)開關(guān)周期到另一個(gè)開關(guān)周期變換時(shí)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),因此義提出了一種新的控制方案,不僅在周期變換時(shí)而且在周期內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。表1列出了3種PWM模式的比較。

5.2 電源換相技術(shù)
??? 利用逆變器的輸出電壓進(jìn)行換相,短路電流的方向和負(fù)載電流的方向相反,如圖13所示。如果負(fù)載電流為正,導(dǎo)通開關(guān)從SUPP到SUNP變化,如果延時(shí)SUPP的關(guān)斷信號(hào),由逆變器輸出電壓產(chǎn)生的短路電流將會(huì)減小SUPP中的電流,當(dāng)短路電流等于負(fù)載電流時(shí),就完成了換相,而沒有開關(guān)損耗,也因此這種技術(shù)又稱為ZCS技術(shù)。

5．3 電壓箝位技術(shù)
??? 在有開關(guān)器件的電路中,往往通過增加緩沖電路來防止開關(guān)器件出現(xiàn)過電壓,但在緩沖電路中會(huì)產(chǎn)生大量功率損耗,而圖14中虛線部分組成的電壓箝位電路就可以解決此問題。電壓箝位電路包括一個(gè)電容、4個(gè)開關(guān)管和10個(gè)二極管。在周波變換器換相的時(shí)候,電容吸收儲(chǔ)存在變壓器漏感上的能量,這就可以避免開關(guān)器件發(fā)生電壓過沖,而且為了降低功率損耗,儲(chǔ)存在電容上的能量還可以通過4個(gè)開關(guān)管反饋回逆變器端或負(fù)載端。在周波變換器死區(qū)時(shí)間內(nèi)負(fù)載電流可以通過二極管DC5-DC10導(dǎo)通,而且還可以當(dāng)負(fù)載過流時(shí)快速切斷負(fù)載,而不會(huì)形成過壓導(dǎo)致周波變換器中的開關(guān)管擊穿。

6 結(jié)語
??? 高頻鏈逆變技術(shù)已經(jīng)成為專家和學(xué)者們的重點(diǎn)研究方向,通過不斷改進(jìn)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法來解決其固有的電壓過沖、功率損耗大、負(fù)載適應(yīng)能力弱等問題,它的發(fā)展推動(dòng)了逆變技術(shù)的進(jìn)步,使逆變電源不斷朝著高功率密度、高變換效率、高町靠性、無污染、智能化的方向發(fā)展。隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張,新能源的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視,利用逆變技術(shù)可以將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源變換成交流電能供使用或與電網(wǎng)并網(wǎng),因此,高頻鏈逆變技術(shù)在以新能源為直流電源的場(chǎng)合有著非常廣泛的應(yīng)用前景。