劉志英

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，遼寧錦州 121000)

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，人們對電源的要求越來越多。大電流、低紋波即是要求之一，其受限于功率半導(dǎo)體的特性與可靠性的要求，功率器件的開關(guān)頻率不能無限制地提高。即使功率器件生產(chǎn)商標(biāo)注的應(yīng)用頻率很高，出于高可靠性的目標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中也要降低頻率，因此單H橋輸出大電流、低紋波實(shí)現(xiàn)困難。

H橋的并聯(lián)使負(fù)載上的電流為各H橋電流之和，以此實(shí)現(xiàn)大電流的目的。通過移相雙邊控制實(shí)現(xiàn)倍頻，頻率的增加使負(fù)載電流紋波減小。為實(shí)現(xiàn)電流的疊加與倍頻，需要設(shè)計(jì)出合理的控制邏輯，并在H橋輸出端與負(fù)載端串接濾波組件，濾波組件的另外一個(gè)功能是解決EMC問題。

1 控制邏輯設(shè)計(jì)

單H橋主電路的兩個(gè)橋臂由4個(gè)功率器件V1～V4組成，每個(gè)功率器件均并聯(lián)一個(gè)二極管D1～D4以用于續(xù)流逆變器，H橋的輸出由電感與電容組成，用于高頻諧波。單H橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示，V1與V3的控制時(shí)序相同，占空比之和等于1；V2與V4的控制時(shí)序相同，占空比之和等于1。同橋臂的驅(qū)動(dòng)時(shí)序相反并存在死區(qū)，即V1與V2的控制時(shí)序相反，V3與V4的控制時(shí)序相反。設(shè)負(fù)載上端電壓為正，下端電壓為負(fù)，當(dāng)V1、V3導(dǎo)通時(shí)，HP、HN處為+HV；當(dāng)V2、V4導(dǎo)通時(shí)，HP、HN處為-HV。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號占比為50%時(shí)，負(fù)載端得到電壓為0V；當(dāng)V1的驅(qū)動(dòng)信號占空比大于50%時(shí)，負(fù)載得到的時(shí)正向的PWM電平，峰值為2HV；當(dāng)V1的驅(qū)動(dòng)信號占空比小于50%時(shí)，負(fù)載得到的時(shí)負(fù)向的PWM電平，峰值為-2HV。負(fù)載電壓與橋中點(diǎn)電壓波形對應(yīng)關(guān)系如圖2、圖3所示。負(fù)載的到的電壓可根據(jù)需求由控制端控制，負(fù)載得到的電壓頻率為橋臂控制信號頻率的兩倍，因此橋臂控制信號的頻率在控制負(fù)載電壓頻率的同時(shí)也控制了負(fù)載電壓紋波的頻率，進(jìn)而影響了紋波的峰值。

圖1 單H橋結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 V1驅(qū)動(dòng)信號占空比為50%時(shí)，橋臂中點(diǎn)與負(fù)載輸出波形

圖3 V1驅(qū)動(dòng)信號占空比為60%時(shí)，橋臂中點(diǎn)與負(fù)載輸出波形

為增加輸出電流的容量，減小輸出電流的峰值，將并聯(lián)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號移相，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的頻率。設(shè)并聯(lián)H橋數(shù)量X，則X與橋臂驅(qū)動(dòng)信號間移相相位Y的對應(yīng)關(guān)系為

X·Y=180.

(1)

設(shè)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號頻率為f，則負(fù)載得到的電壓PWM波形的頻率對應(yīng)為2f。

下面以兩個(gè)H橋并聯(lián)對驅(qū)動(dòng)波形與負(fù)載電壓波形進(jìn)行說明。兩個(gè)H橋并聯(lián)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號移相90度，設(shè)橋中點(diǎn)分別為HP1、HP2、HN1、HN2。以HP占空比為60%時(shí)，說明橋臂輸出電壓情況與負(fù)載電壓情況，如圖4所示。

圖4 兩H橋移相并聯(lián)，橋臂中點(diǎn)與負(fù)載輸出波形(HP1 Duty=60%)

當(dāng)HP1為60%占空比方波時(shí)，HN1為40%占空比方波。根據(jù)式(1)，并聯(lián)橋臂移相90度，并聯(lián)橋臂HP2、HN2的輸出波形與HP1、HN1的輸出波形相差90度，負(fù)載得到的電壓波形頻率為4f。

以此類推，可以得到四橋、八橋并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)波形、橋中點(diǎn)電壓波形、負(fù)載電壓波形。在并聯(lián)過程中，由于功率器件的增加，模塊整體的電流輸出能力也增加。負(fù)載得到電壓頻率的倍增，減小了輸出電流紋波的峰值。

2 并聯(lián)電感設(shè)計(jì)

由于移相，并聯(lián)的橋臂勢必會(huì)有高電平與低電平同時(shí)存在的情況。若橋臂直接并聯(lián)，則會(huì)出現(xiàn)母線直通而功率器件損壞的情況。若在并聯(lián)的橋臂間引入電感(并聯(lián)電感)，則在不影響電路功能的同時(shí)又可利用電感電流不能突變的特性，防止功率器件因短路而損壞。下面以兩H橋并聯(lián)為例，給出H橋與并聯(lián)電感的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 兩H橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

在H橋并聯(lián)過程中，連接在橋中點(diǎn)間的電感起到保護(hù)功率器件的作用，如圖5中L1、L2所示。以上半橋并聯(lián)為例，負(fù)載電壓輸出為0時(shí)，對電感L1的要求最高，此時(shí)HP1、HP2的波形參見圖4。在最惡劣的情況下，設(shè)HP1的周期為T，HP1輸出高電平的占空比為50%，HN1輸出高電平占空比為50%，則電感LP、LN中的差模電流處于上升狀態(tài)、高電流狀態(tài)、下降狀態(tài)和低電流狀態(tài)的時(shí)間均為0.25T，因此電感在最惡劣的情況下不能飽和。

由此得到并聯(lián)電感的設(shè)計(jì)要求為：①H橋正常工作時(shí)，電感不能磁飽和；②H橋正常工作時(shí)，電感發(fā)熱溫升不能超過磁芯的居里溫度而飽和。

對應(yīng)需要明確電感的參數(shù)分別為：工作頻率、磁芯選擇、導(dǎo)體選擇、工作磁通密度、匝數(shù)計(jì)算、損耗計(jì)算。

橋中點(diǎn)HP1工作頻率為數(shù)十K赫茲，此頻率為高頻。對比幾種常用磁芯類型，粉芯類磁損較高，超微晶類價(jià)格較貴，因此折中選擇磁損引起的溫升可以控制在居里溫度以下。常規(guī)鐵氧體磁芯飽和磁通密度為0.4T，設(shè)計(jì)過程中需要留有余量，因此設(shè)計(jì)磁通密度為0.3T。

依據(jù)已得到的電感量與選好的磁芯，可以計(jì)算出導(dǎo)體需要纏繞的圈數(shù)。導(dǎo)體通常選擇銅質(zhì)漆包線，根據(jù)銅的電阻率與圈數(shù)，可以計(jì)算出繞組的電阻值，進(jìn)而可以計(jì)算出繞組的功率。依據(jù)電感的工作頻率與電流，能夠計(jì)算出電感的磁通密度最大值，查找磁芯的手冊，得到磁芯的磁損，磁損與銅損之和即為電感的整體功率。當(dāng)電感整體設(shè)計(jì)結(jié)束后，可通過計(jì)算磁通密度來驗(yàn)證是否飽和。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

建立如圖5所示試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)參數(shù)、元器件選擇表1，并聯(lián)電感關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)與元器件選擇

表2 并聯(lián)電感關(guān)鍵參數(shù)選擇

在試驗(yàn)?zāi)K中，兩個(gè)電感分別連接HP1、HP2、HN1和HN2。當(dāng)沒有功率輸出時(shí)，H橋中點(diǎn)波形如圖2所示。并聯(lián)電感中只存在激磁電流，沒有共模輸出電流，則此時(shí)只有鐵損，銅損失可以忽略不計(jì)。在有功率輸出時(shí)，H橋中點(diǎn)波形如圖4所示。此時(shí)并聯(lián)電感中既存在共模電流，又存在差模電流，功率電流為負(fù)載電流的一半。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)K的輸出功率即可計(jì)算出流經(jīng)并聯(lián)電感的共模電流，以此數(shù)據(jù)計(jì)算銅導(dǎo)線的參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算能夠得到輸出為額定功率時(shí)的發(fā)熱量。

無論模塊是否有功率輸出，并聯(lián)電感中的激磁電流均存在。以靜態(tài)時(shí)的橋中點(diǎn)輸出參數(shù)計(jì)算參數(shù)，選擇磁芯與繞線圈數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)中，二通道測試模塊輸出電流，三通道測試并聯(lián)電感電流。當(dāng)輸出功率為0時(shí)，實(shí)測波形如圖6所示，試驗(yàn)?zāi)K輸出電流為0，并聯(lián)電感中只存在激磁電流，不存在共模電流。所以實(shí)測并聯(lián)電感中只存在交流分量，不存在直流分量，交流分量的峰峰值為12.5A，與計(jì)算值12A接近。在輸出功率為0時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了理論計(jì)算的正確性。

并聯(lián)電感穩(wěn)態(tài)工作區(qū)間為一、三象限，在上電瞬間需要從一象限向一、三象限過渡。在過渡過程中不存在電流突變，由此證明了并聯(lián)電感沒有出現(xiàn)飽和情況。

圖6 輸出功率為0時(shí)，并聯(lián)電感激磁電流測試示意圖

當(dāng)輸出功率不為0時(shí)，實(shí)測波形如圖7所示，此時(shí)并聯(lián)電感輸出電流為直流分量疊加交流分量，交流分量近似為輸出功率為0時(shí)并聯(lián)電感中流過的激磁電流。

圖7 當(dāng)輸出功率不為0時(shí)，并聯(lián)電感中激磁電流與共模電流測試示意圖

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)輸出功率倍增、輸出紋波減小的目的，本文提出了H橋并聯(lián)方案，推導(dǎo)出實(shí)H橋并聯(lián)的控制邏輯。以兩H橋并聯(lián)為例進(jìn)行分析，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)提供了實(shí)現(xiàn)H橋并聯(lián)的另一關(guān)鍵技術(shù)：并聯(lián)電感的設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)并聯(lián)電感，實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

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