全桥电流源高频链逆变器

此文获得由本刊承办的“华为电气杯”论文大奖赛一等奖（只有一名），它代表了我国当前电源领域的学术水平，经作者同意作为本期首篇文章介绍给读者。
  全桥电流源高频链逆变器
  Full－bridgeCurrentModeHigh－frequencyLinkInverter
  摘要：全桥电流源高频链逆变器基于Flyback变换器，由全桥高频逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成。其高频变压器不仅能实现电隔离和电压增益的调整功能，而且还能存储能量。该逆变器解决了电压源高频链逆变器固有的电压过冲问题，降低了周波变换器的开关损耗，简化了高频变压器的结构，减低了逆变器的开关电压应力。本文介绍了其拓扑结构、工作原理、控制方案和简要的设计。仿真结果和样机的实验结果证明该逆变器具有下述优点：紧凑的拓扑结构、简单的控制方案和高频变压器结构、良好的动态响应、带非线性负载能力和低开关电压应力。
  关键词：高频链逆变器拓扑仿真
  1引论
  　　近来，高频链逆变技术引起了人们越来越浓的研究兴趣。高频链逆变技术用高频变压器来代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。
     在本文中，根据高频变压器的功能将现有的高频链逆变器分成两类：电压源和电流源。区别于电压源高频链逆变器，电流源高频链逆变器中的高频变压器不仅能实现电隔离和电压增益的调整，而且有存储能量的功能。
     电流源高频链逆变器基于Flyback变换器的拓扑结构[4－6，也是由高频逆变器、高频变压器和周波变换器三部分组成。其高频变压器不仅能实现电隔离和电压增益调整功能，而且能存储能量。故可以省去输出滤波电感，并解决了电压源高频链逆变器的电压过冲问题。因此，电流源高频链逆变器具有紧凑的拓扑结构、简单的控制方案和良好的动态性能。然而，文献[4]提出的逆变器拓扑结构中，变压器的结构复杂，需要两个副边绕组，而每个副边绕组只工作半个工频周期，绕组的利用率低。另外，电流源高频链逆变器工作于电流断续模式，导致较高的电流、电压应力和通态损耗。
  　2主电路描述
  2．1工作原理
  图4所示为全桥电流源高频链逆变器的电路波形示意图，其中负载为感性负载（功率因数为cosφ）,逆变器工作于电流断续模式。该逆变器基于Flyback变换器拓扑结构。其高频变压器不仅能实现电隔离和电压益调整功能，而且能存储能量。周波变换器中的开关S5、S6通常工作在工频，只有当负载向电源回馈能量时才工作于高频。但在电压源高频链逆变器中的开关器件始终工作于高频。因此该方案可以解决电压源高频链逆变器固有的电压过冲问题，并降低了周波变换器的开关损耗。其高频变压器只有一个副边绕组，结构比文献[4]中的简单，提高了绕组的利用率。
  　
  该逆变器具有四象限工作能力，在每个象限均为一个Flyback变换器。当输出电压和电流同向时，逆变器工作在第Ⅰ和Ⅲ象限，相应的电路拓扑结构如图5（a）和(c)所示，逆变器功率流向为从输入到输出。当输出电压和电流异向时，逆变器工作在第Ⅱ和第Ⅳ象限,相应的电路拓扑结构如图5(b)和(d)所示,负载向电源回馈能量。因此，电流源高频链逆变器能双向传输功率，能适用于许多应用场合。
  　
  2．2控制方案
  逆变器的控制方案采用瞬时值电压反馈控制方案。图6所示为控制电路的框图，其中Usy为基准电压的同步方波，Ue为误差电压，UF为输出电压U0的反馈电压。
  如上所述，每一个工作模式的电路拓扑结构都为工作于电流断续模式下的Flyback变换器。因此，该逆变器属于单极点系统，就很容易设计串联反馈补偿器[5]。
  2．3简要设计
  　　假设：
  （1）电路处于稳态；
  （2）fs?f0,其中fs为逆变器开关频率,f0为输出电压频率;
  （3）高频变压器工作于线性区;（4）输出电压u0=U0sinωt,输出电流i0=I0sin(ωt－?)；
  （5）电感性负载,功率因数为cosφ。
  根据能量守恒定律，当输出电压u0和输出电流I0同向时，有下式成立：
  ηEin=Eout(1)
  其中Ein和Eout分别为一个周期内逆变器的输入和输出能量，η为逆变器的效率。
  输入能量Ein
  其中D为开关S1，3的占空比，Ts为开关周期。
  根据以上假设，在一个开关周期内，输出电压和电流可视为不变。于是，输出能量Eou为：
  其中P0为逆变器的输出功率。于是式（1）可写为：
  η(DTsUin)2/2L1=2TsP0sinωtsin(ωt－?)(4)
  所以，开关S1，3的占空比函数
  同理可得，其它开关的占空比变化函数。
  因此，开关S1，3的最大占容比Dmax
  假设输入电压Uin=48V,开关周期Ts=20μs,输出功率P0=400W,Dmax=0.5,逆变器效率η=85％,那么高频变压器的原边电感L1为:
  L1=ηTsD2maxU2in/4P0=6.1μH(7)
  3仿真和实验结果
  图7所示为该逆变器的计算机仿真结果。它证实了上述对逆变器的分析结果。PSPICE仿真程序参见附录。
  实验样机的技术参数如下：
  ?输入电压：48V；
  ?输入电压：220V/50Hz；
  ?输出功率：400W；
  ?开关频率：50kHz
  实验样机采用的器件参数：
  ?高频变压器：
  磁心：TDKPC30
  原边：3匝，?w=1mm铜线四股并绕
  副边:21匝,?w=0.5mm铜线双股并绕
  ?S1－4:IRF150,D1－4:FED30JP
  S5－6:IXGH25N100A,D5,6:U8100
  ?C0:4.2μf/220VAC
  20V/div,时间：5ms/div
  u0:200V/div，i0:1A/div,时间：5ms/div
  u0:200V/div,i0;2A/div,时间：5ms/div
  u0:200V/div,i0;2A/div,时间：5ms/div
  4结论
  　　本文介绍了全桥电流源高频链逆变器的工作原理、控制方案、设计、仿真和样机实验结果。仿真和实验结果表明该逆变器具有下述优点：紧凑的拓扑结构、双向功率传输、简单控制方案、良好的动态响应和非线性负载能力。与文献[4]的方案相比，其高频变压器结构更简单，开关器件的电压应力更低。
  然而，由于电流源高频链逆变器工作于电流断续模式，将导致较高的开关电流应力和通态损耗。另外，由于全部变换能量必须存储在磁心中，故逆变器的输出功率将受到磁心的限制。因此，单台电流源高频链逆变器不适用于大功率场合。
  综上所述，在小功率场合电流源高频链逆变器的性能要优于电压源高频链逆变器，而在大功率场合可以考虑采用多机并联技术进行扩容，以克服其不足之处。