优良综合性能的高频软开关逆变电源工作原理分析

摘要：首次提出了占空比扩展高频脉冲直流环节逆变器新思路，深入分析研究了该软开关逆变器工作原理、三态离散脉冲电流滞环跟踪控制策略，获得了关键电路参数设计准则。设计并研制成功的750VA 27VDC/115V 400HzAC逆变电源具有体积重量小、变换效率高、静态精度高、动态响应速度快、输出波形失真度低、过载与短路能力强、可靠性高等优良的综合性能。

关键词：软开关；高频环节逆变器；高频脉冲直流环节；三态离散脉冲调制；有源箝位

High Frequency Soft-switching Inverter with excellent peformance

CHEN Dao-lian

Abstract:A novel idea of inverter with duty cycle extended high frequency pulse DC link is firstly proposed . The operation principle of the soft-switching inverter and the control strategy of three-state discrete pulse modulation hystersis current are deeply analyzed and studied. The design criterions of key circuit parameter are gained. A designed and developed 750 VA 27 V DC/115 V 400 Hz AC prototype has the excellent comprehensive advantages.

Keywords:Soft-switching； High frequency link inverter； High frequency pulse DC link； Three-state discrete pulse modulation（ DPM） ； Active clamp 

1  引言

        综合软化开关高频脉冲直流环节逆变器，解决了分级软化开关高频环节逆变器存在的电路拓扑复杂，功率密度和变换效率偏低，成本偏高等问题[1，2]。这类软开关逆变器由电气隔离型高频脉冲直流环节电路与DC/AC逆变桥级联而成。

      文献[1]提出了并联交错有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器电路拓扑，如图1（a）所示。该电路仍存在电路拓扑和控制偏复杂，体积重量偏大，变换效率和可靠性偏低等缺点。为了进一步简化高频脉冲直流环节电路拓扑，再次提出了高频脉冲直流电压波占空比扩展的新思路[3]，从而成功地解决了单管正激式功率开关占空比小与输出高频脉冲直流电压波占空比要求大之间的矛盾。本文主要研究占空比扩展的高频脉冲直流环节逆变器工作原理，控制策略，关键电路参数设计准则，并给出了样机试验结 果。

(a)  并 联 交 错 有 源 箝 位 正 激 式

(b)  占 空 比 扩 展 的 单 管 有 源 箝 位 正 激 式

图1  高 频 脉 冲 直 流 环 节 逆 变 器 电 路 拓 扑

2  占空比扩展的高频脉冲直流环节逆变器工作原理

      基于占空比扩展的单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器电路拓扑，如图1（b）所示。单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节电路，将经LC输入滤波器后的输入电压18～32VDC变换成平均值为180V，频率为80kHz，占空比扩展的高频脉冲直流电压udo， DC/AC逆变为全桥结构，逆变桥所有功率器件在前级输出的高频脉冲直流电压波udo过零处进行开关转换，从而实现了零电压开关（ZVS）。逆变桥输出的调制电压波uAB经输出滤波电感Lf、滤波电容Cf后，得到了恒压恒频115V 400Hz的单相交流电。

      箝位开关Sc与箝位电容Cc串联支路，构成了正激变换器的有源箝位支路，实现了高频变压器T的磁复位。功率开关Sr与电容Cr串联支路不但可用来吸收DC/AC逆变桥交流侧回馈的无功能量，而且可以实现高频脉冲电压波udo占空比的扩展。高频脉冲直流电压udo占空比扩展原理，如图2所示。Sr的驱动信号相对于功率开关S的驱动信号稍延迟开通t3时间，大大延迟关断t4时间。合理设计吸收支路开关Sr的延迟时间t4，也就实现了高频脉冲电压波udo的扩展。吸收开关Sr与功率开关S均截止时，udo为零电平，在此期间实现DC/AC逆变桥功率开关的ZVS转换。

图2  高 频 脉 冲 直 流 电 压 占 空 比 扩 展 原 理

3  三态离散脉冲调制电流控制技术

      高频脉冲直流环节电路和DC/AC逆变桥采用各自独立的控制电路。高频脉冲直流环节电路采用输入电压前馈脉宽调制，DC/AC逆变桥采用输出电压和滤波电感电流双闭环反馈三态离散脉冲（DPM）控制技术，其控制原理，如图3所示。输出电压反馈信号uof与基准电压信号ug比较，经PI调节器后，电压外环的输出信号ig作为电流内环的给定信号。电流内环为三态离散脉冲滞环跟踪控制调节器。滤波电感电流反馈信号if在正、负环宽范围内跟踪ig变化。滞环比较结果经采样信号uc（过零信号）采样，控制功率开关S1、S2、S3、S4在udo零电平期间开关转换，从而获得输出调制电压uAB，其控制规律为

(a) 控 制 原 理 

(b) 原 理 波 形 

(c) 控 制 系 统 框 图

图 3  DC/AC逆 变 桥 三 态 离 散 脉 冲 电 流 控 制 原 理

    uAB= (1)

式中:δ——半个滞环宽度；

     udom——高频脉冲直流电压幅值。

4  关键电路参数设计准则

4．1  箝位电容Cc

    箝位电容Cc应满足

    Cc≥(1－D)2Ts2/(8LmΔUc/Uc)   （2）

    通常取ΔUc/Uc≤10％，按最坏情况D=Dmin来设计。

4．2  功率开关S、箝位开关Sc、吸收支路开关Sr三个驱动信号延迟时间

    延迟时间t1、t2过大，影响了有效占空比；延迟时间过小，满足不了要求。Sc关断与S开通的时间间隔应不小于变压器磁化电感Lm与功率开关输出电容Cs间谐振周期的四分之一，即

    ?t2≥2π/4   （3）

S关断与Sc开通的时间间隔t1应满足

   2π/4<t1<(1－D)Ts/2    （4）

式（3）、式（4）按最坏情况（Ui=Uimin、D=Dmax、Uc=Ucmax）来调节参数。Sr关断相对于S关断的延迟时间t4为

    t4=ΔDTsDTs    （5）

式中：ΔD——高频脉冲直流电压扩展的占空比。

4．3  功率开关S实现ZVS的条件

      功率开关S能否实现ZVS，取决于变压器磁化电流峰值与折算到变压器原边的负载电流的差值。功率开关S实现ZVS的条件为

      (1/2)Lm（ILm－iLf·N2/N1）2≥(1/2)CsUi2    （6）

式中：ILm——变压器磁化电流峰值。

4．4  高频脉冲直流电压波平均值Udo,avg选取

    为了确保输出电压THD小，应满足

    UO?≤Udo,avg   （7）

    Udo,avg=(N2/N1)Ui(D＋ΔD)   （8）

由式（8）可知，相同的Udo,avg值，总占空比(D＋ΔD)越大，则高频脉冲直流电压幅值将越小。因此，高频脉冲直流电压波占空比扩展，一方面降低了DC/AC逆变桥功率开关的电压应力；另一方面简化了前级高频脉冲直流环节电路。此外，为了保证DC/AC逆变桥功率器件可靠实现ZVS，需要一定的零电平时间t0，则最大占空比应满足

    (D＋ΔD)max≤1－t0fs  （9）

式中：fs——开关频率。

4．5  开关频率fs

    fs/fo越高（fo为输出电压正弦波的频率），高频变压器，输入与输出滤波器将越小。但fs受式（9）限制，若fs过高，则最大占空比变小，高频脉冲直流电压波幅值UiN2/N1将增大。故fs应折衷考虑。这里开关频率fs选取80kHz。

4．6  输出LC滤波器

    滤波电感Lf的合适取值范围为

    <（

<Lf<    (10)

式中：Igm,max——给定电流幅值；

            ωo——输出电压角频率；

      输出滤波电容Cf用来滤除输出电压uo中的高次谐波，若Cf越大，输出电压uo的THD就越小，但DC/AC逆变器无功电流分量增大，从而增大了变流器的体积和成本。一般选取ICf≤0.5Iomax为宜，因此滤波电容Cf值应满足：

    Cf≤0.5Iomax/ωoUO   （11）

式中：Iomax——输出电流最大值。

4.7    滞环宽度δ的选择

      一般来说环宽过小，电路不能有效地选择零状态，电路工作于双极性模式，输出电压THD增大，开关频率升高，损耗增加，且每个开关周期都有能量回馈，吸收电容两端电压脉动变大。若环宽过大，输出滤波电感上的电流偏差过大，输出电压的THD也会增大，且电路的动态调节速度变慢，影响到系统的动态特性。通常选取滞环宽度为

    δ=(0.2～0.4)(Udo,avg/Lf）Ts   （12）

4．8   吸收支路电容Cr

    空载时DC/AC逆变器一个输出周期内就有半个周期能量回馈，其滤波电感电流iLf、滤波电容电压uCf、吸收支路电容电压uCr波形，如图4所示。根据能量守恒原理，则有

(a)滤波电感电流与滤波电容电压  (b)吸收支路电容电压

图4  空载时滤波电感电流、滤波电容电压、吸收支路电容电压波形

    (1/2)Cr[(ΔUCr＋UCrmin)2－U2Crmin]=

    (1/2)CfU2Cfmax－(1/2)LfiLfmax    （13）

式中：UCrmin=UiN2/N1。

    高频脉冲直流电压波占空比扩展期间，吸收支路电容Cr对DC/AC逆变桥供电引起的最大电压降落为

        ΔUCr=（ILfmax·ΔD·Ts）/Cr    （14）

式中：ILfmax——最大输出滤波电感电流，通常要求ΔUCr≤5％UCrmin。

5  试验结果

    设计实例：输入电压Ui=18～32VDC，额定容量750VA，输出电压115V，输出电压频率400Hz，开关频率fs=80kHz，占空比D=0.34～0.6，扩展的占空比ΔD=0.3；变压器铁心选用铁氧体材料R2KBDPM62×49，变压器原、副边匝比N1/N2=2/24，磁化电感Lm=48μH。

    设计并研制成功的逆变电源，获得了优良的综合性能：输出电压（115±2）V，输出电压频率（400±0.2）Hz，输出电压直流分量小于0.1V，输出电压波形的THD<0.5％；负载功率因数－0.75～0.75，额定负载时变换效率大于85.5％；110％额定负载120min，150％额定负载5min；短路时间5s，短路电流21A，短路故障排除后有自恢复能力；重量小于4kg；体积265mm×159mm×130mm。

    样机试验波形，如图5所示。试验结果表明：高频脉冲直流环节电压实现了占空比的扩展，如图5（a）所示。逆变桥输出滤波电感电流iLf在给定电流ig的滞环宽度内变化，如图5（b）所示。负载两端得到的低THD输出正弦波uo，如图5（c）所示。

(a)  udo波形占空比的扩展 
 

(b)  输出滤波电感电流iLf波形 

(c)  输出电压uo波形

图5  样机试验波形

6  结论

    1）首次提出高频脉冲直流电压扩展的新思路，为提高整机综合性能奠定了关键技术基础。

    2）该逆变电源具有优良的综合性能，处于国内领先，国际先进水平，已获国防科技成果二等奖,可以实行技术转让。

    3）该技术成果可用来研制数十VA至10kVA单相或三相27VDC(270VDC)/115V400HzAC(220V50HzAC)逆变电源,非常适用于并联场合。