蔡可健 張 穎 程曉燕

（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 淮安 223001）

1 引言

隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，人們對(duì)高頻鏈逆變技術(shù)的研究取得了顯著的成果?；陔p向反激DC-DC變換器的逆變器以特有的高頻電氣隔離、電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、單級(jí)功率變換及成本低等優(yōu)點(diǎn)引起了更多的關(guān)注。可是，全橋、半橋及推挽式雙向電流源高頻鏈逆變器雖然都解決了雙向電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過(guò)沖問(wèn)題，但受其固有拓?fù)涞南拗?，其占空比都不能大?.5，都必須通過(guò)提高變壓器匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)高的輸出電壓[1-6]。為此，提出了采用輔助關(guān)開(kāi)管關(guān)斷正激通路的電路拓?fù)浼斑\(yùn)用兩套雙向反激 DC-DC變換器輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)構(gòu)成的電路拓?fù)鋄7-9]，占空比都能大于 0.5，從而減小了功率開(kāi)關(guān)管的應(yīng)力，也獲得了較寬的輸出輸入電壓比。但是，上述雙向電流源高頻鏈逆變器都是采用輸出電壓瞬時(shí)反饋的SPWM控制方案，工作在電感電流斷續(xù)模式（DCM），對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)較慢，在達(dá)到穩(wěn)定之前需要數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)周期。文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步研究了由兩套雙向反激 DC-DC變換器輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)構(gòu)成的反激逆變器，基于工作在電感電流連續(xù)模式（CCM）的逆變器提出了同步整流控制方案，減小了開(kāi)關(guān)管損耗，提高了整機(jī)效率，但其控制方式?jīng)]有本質(zhì)的變化，逆變器的控制性能并沒(méi)有得到改善。

本文深入研究了一種高占空比反激逆變拓?fù)?，?duì)基于工作在電感電流連續(xù)模式的反激逆變器，在同步整流的基礎(chǔ)上提出了單周控制（one-cycle control）策略，它與傳統(tǒng)的SPWM控制相比，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，而且控制精度高、響應(yīng)速度快、對(duì)擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)，魯棒特性好[11-14]。

2 主電路構(gòu)成及工作原理

本文提出的單周控制反激逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，它僅由3只功率開(kāi)關(guān)管、2只輔助開(kāi)關(guān)管及1只高頻變壓器組成。其中功率開(kāi)關(guān)管VT1構(gòu)成高頻變換器，控制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期直流電源Uin傳輸?shù)哪芰浚婚_(kāi)關(guān)管VT2、VT3及VTa、VTb構(gòu)成周波變換器，VT2、VT3用于實(shí)現(xiàn)正弦交流電的能量回饋，輔助開(kāi)關(guān)管 VTa、VTb用于實(shí)現(xiàn)正弦交流電壓的正負(fù)交替；變壓器T兼有電氣隔離、調(diào)整電壓變壓比和儲(chǔ)能的作用。

圖1 單周控制反激逆變器主電路Fig.1 Circuit of one-cycle control type DC-AC inverter

由反激 DC-DC變換器工作在電感電流斷續(xù)模式下的傳遞函數(shù)可知，反激 DC-DC變換器工作在電感電流斷續(xù)模式時(shí)，系統(tǒng)屬于一階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)在s平面的右半平面無(wú)零極點(diǎn)，串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)只需要一階阻容網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍大。但是，斷續(xù)模式時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流峰值和有效值高，從而損耗大、效率低。若工作在電感電流連續(xù)模式，它有一個(gè)右半平面零點(diǎn)，屬于非最小相角系統(tǒng)，需要采用比例-積分-微分補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，但可明顯降低損耗、提高效率。所以，本文提出的單周控制逆變器設(shè)計(jì)工作在電感電流連續(xù)模式。

在輸出電壓uo(t) 的正半周，VT3、VTb一直關(guān)斷，VTa一直導(dǎo)通，VT1、VT2互補(bǔ)導(dǎo)通，電流ios可正可負(fù)，逆變器工作在第Ⅰ、Ⅱ象限，等效電路如圖2a所示。

圖2 單周控制反激逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuits of DC-AC inverter

在ios＞0 時(shí)，Uin、VT1、Lp、Ls1、VT2（VD2）、C0和Z0構(gòu)成反激 DC-DC功率變換器，VT1高頻斬波，VD2續(xù)流，VT2同步整流，電源Uin向負(fù)載輸送能量。當(dāng)VT1開(kāi)始導(dǎo)通，變壓器一次電感電流線性上升，電感Lp儲(chǔ)能增加，設(shè)開(kāi)關(guān)管VT1的占空比為D1，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)s，經(jīng)過(guò)D1Ts時(shí)間電源Uin輸送給變壓器一次電感Lp的能量為

經(jīng)過(guò)D1Ts時(shí)間，VT1關(guān)斷，VT2開(kāi)始導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感Lp的能量通過(guò)次級(jí)電感Ls1提供給負(fù)載。經(jīng)過(guò)(1-D1)Ts時(shí)間負(fù)載獲取的能量為

因?yàn)?/p>

所以，式（3）可寫(xiě)成

式中N1——變壓器一次匝數(shù)；

N2——變壓器二次匝數(shù)。

這里采用通態(tài)電阻低的功率場(chǎng)效應(yīng)管取代了單向?qū)ǖ睦m(xù)流二極管，不僅在大電流情況下能明顯降低整流管的導(dǎo)通損耗，而且Iinmin和Iosmin也可以小于零。所以，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流不可能出現(xiàn)斷續(xù)情況。

由于開(kāi)關(guān)管的非理想性，存在著開(kāi)通及關(guān)斷的延時(shí)，為確保電路的安全工作，通常要在兩開(kāi)關(guān)之間插入死區(qū)時(shí)間。因此，當(dāng) VT1關(guān)斷時(shí)，VT2尚沒(méi)導(dǎo)通，在這個(gè)死區(qū)時(shí)間，VD2受正向電壓導(dǎo)通，并將VT2漏源極鉗位在零電壓狀態(tài)，而后VT2零電壓開(kāi)通，當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，電路又經(jīng)過(guò)另一個(gè)死區(qū)時(shí)間，如果傳遞功率較大，則在VT2關(guān)斷后，電流經(jīng)過(guò)VD2繼續(xù)流動(dòng)，再次開(kāi)通VT1，VD2受反向電壓而關(guān)斷；如果傳遞功率較小，則在VT2開(kāi)通期間，流過(guò)它的電流將很快下降到零，而后轉(zhuǎn)為反向流動(dòng)，這種情況下關(guān)斷VT2，則VD1受正向電壓導(dǎo)通，并將VT1漏源極鉗位在零電壓狀態(tài)，而后VT1零電壓開(kāi)通。假設(shè)逆變器工作在理想狀態(tài)，略去開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)電感LP運(yùn)用伏秒平衡原理，得

亦即

略去在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)直流電源電壓Uin可能受到的擾動(dòng)，對(duì)式（7）第一項(xiàng)積分，得

由于逆變器具有能量流雙向傳遞功能，而且VT1、VT2互補(bǔ)導(dǎo)通，所以式（8）又可表示成

式中，D2是開(kāi)關(guān)管VT2的占空比，且D1+D2=1。

由式（9）可知，輸出電壓uo僅是開(kāi)關(guān)管的占空比D的一元函數(shù)。因此，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比滿足某一規(guī)律就可以使逆變器輸出正弦交流電壓。當(dāng)輸出輸入電壓滿足式（9）時(shí)，根據(jù)式（1）及式（5），又有

所以按照式（9）調(diào)節(jié)占空比也能滿足輸送能量的需要。

在ios＜0 時(shí)，Z0、C0、VT2、Ls1、Lp、VT1（VD1）和Uin構(gòu)成反激DC-DC功率變換器，VT2高頻斬波，VD1續(xù)流，VT1同步整流，能量從負(fù)載端回饋到電源。當(dāng)VT2開(kāi)始導(dǎo)通，變壓器次級(jí)電感電流線性上升，電感Ls1儲(chǔ)能增加，VT2經(jīng)過(guò)D2Ts時(shí)間關(guān)斷；當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，VT1開(kāi)始導(dǎo)通，儲(chǔ)存在Ls1的能量通過(guò)初級(jí)電感Lp回饋給電源。略去開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)電感Ls1運(yùn)用伏秒平衡原理，得

顯然，式（11）與式（8）及式（9）都是等同的。因此，在輸出電壓uo(t) 的正半周，無(wú)論是負(fù)載獲取能量，還是負(fù)載回饋能量，僅需要調(diào)節(jié)同一只開(kāi)關(guān)管的占空比就可滿足輸出電壓和負(fù)載的需要。

在輸出電壓uo(t) 的負(fù)半周，VT2、VTa一直關(guān)斷，VTb一直導(dǎo)通，VT1、VT3互補(bǔ)導(dǎo)通，電流ios可正可負(fù)，逆變器工作在第Ⅲ、Ⅳ象限，等效電路如圖 2b 所示，Uin、VT1（VD1）、Lp、Ls2、VT3（VD3）、C0和Z0構(gòu)成雙向反激DC-DC功率變換器。在ios＜0時(shí)，VT1高頻斬波，VD3續(xù)流，VT3同步整流，電源向負(fù)載輸送能量。在ios＞0時(shí)，VT3高頻斬波，VD1續(xù)流，VT1同步整流，能量從負(fù)載端回饋到電源。調(diào)節(jié) VT1（或 VT3）的占空比可以滿足輸出電壓和負(fù)載的需要。詳細(xì)分析與輸出電壓的正半周類(lèi)同，在此不再贅述。

3 單周控制策略

圖3 控制原理圖Fig.3 The control scheme of inverter

4 變壓器主要參數(shù)

高頻儲(chǔ)能變壓器的設(shè)計(jì)好壞對(duì)逆變器的效率影響很大，它的主要參數(shù)必須選擇恰當(dāng)。設(shè)逆變器的輸出頻率fo遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率fs，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變壓器二次電流的最小值為Iosmin，則變壓器的瞬時(shí)輸出功率可表示為

由式（6）可知，略去一個(gè)開(kāi)關(guān)周期uo的變化，有

于是，式（12）又可寫(xiě)成

所以

由以上對(duì)逆變器的工作原理分析可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，若變壓器二次側(cè)最小電流Iosmin≥0，則 VT2（或 VT3）同步整流且零電壓開(kāi)通。若變壓器二次側(cè)最小電流小于0， 則VT1、VT2（或VT1、VT3）都實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。在變壓器二次側(cè)最小電流小于0的狀況下，雖然實(shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，但在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)也出現(xiàn)了能量循環(huán)，循環(huán)過(guò)大又會(huì)明顯降低逆變器的效率。因此，逆變器工作在Iosmin=0附近最為適宜。這里設(shè)計(jì)逆變器在輸出最大功率的 60%時(shí)對(duì)應(yīng)的最小電流等于 0。于是，結(jié)合式（15）可得儲(chǔ)能變壓器一次電感為

變壓器一次、二次匝比應(yīng)滿足

式中k=60%；

Dmax——最大占空比；

Uo——輸出電壓有效值；

PN——輸出額定容量；

η——逆變器效率。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上理論分析，制作了一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其主要參數(shù)為：輸出電壓 220V/50Hz，輸出額定容量 250VA，30～48V直流電源，時(shí)鐘頻率50kHz，變壓器一次側(cè)4匝，二次側(cè)18匝，R2KBD磁心，VT1～VT3選用IXTH50N10型號(hào)，VTa、VTb選用2SK1512型號(hào)，輸出電容選用4.7μF/AC220V。圖 4a是阻性負(fù)載時(shí)逆變器輸出電壓uo和輸出電流io的波形，圖4b和圖4c分別是功率因數(shù)為0.75，輸出額定容量時(shí)的感性負(fù)載和容性負(fù)載逆變器輸出電壓uo和輸出電流io的波形，這表明采用單周控制的逆變器具有四象限運(yùn)行的能力及很好的負(fù)載適應(yīng)性。圖4d是逆變器從空載到額定電阻性負(fù)載突然切換時(shí)逆變器的輸出電壓uo和輸出電流io的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，從圖 4中可以看出，逆變器對(duì)于滿載切換的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.1ms，這表明采用單周控制的逆變器具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。圖4e是開(kāi)關(guān)管VT2(VD2) 的電壓電流波形，其他開(kāi)關(guān)管類(lèi)同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證實(shí)了理論分析的正確性。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Experimental waveforms

6 結(jié)論

本文研究了一種占空比能夠大于 0.5的反激逆變器，提出了單周控制方案，增強(qiáng)了逆變器抑制擾動(dòng)的能力，提高了逆變器的控制精度和響應(yīng)速度，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好。詳細(xì)分析了電路的工作原理和控制原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，該逆變器還具有同步整流、零電壓開(kāi)通及高頻電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，適合于低電壓大電流場(chǎng)合。

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