高頻鏈逆變技術(shù)發(fā)展概論

1、高頻鏈逆變技術(shù)發(fā)展綜述1引言    隨著高頻鏈逆變技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍日益廣泛。首先，電信、航空航天、軍事等領(lǐng)域，常常要求供電裝置重量輕、體積小、功率密度大和可靠性高；其次，隨著石油、煤和天然氣等礦產(chǎn)能源的不斷消耗以及環(huán)境污染等問(wèn)題，使用蓄電池、太陽(yáng)能電池等作為能源的混合型電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)日益成為研究熱點(diǎn)，效率和體積是它的首要考慮因素；另外，在建筑行業(yè)，常常使用振動(dòng)棒進(jìn)行均勻混合澆注混凝土，這也要求振動(dòng)棒供電裝置體積小、重量輕、使用安全和可靠性高等；以及UPS技術(shù)的日益興起和廣泛應(yīng)用。考慮到以上各種供電裝置和負(fù)載之間都要解決安全與匹配問(wèn)題，因此常常需要加隔

2、離變壓器。針對(duì)上述要求，需要研究具有隔離變壓器的逆變器電路拓?fù)?。高頻鏈逆變技術(shù)正是在這種情況下蓬勃發(fā)展起來(lái)的。    所謂高頻鏈逆變技術(shù)就是采用高頻脈沖變壓器替代低頻變壓器傳輸能量，并實(shí)現(xiàn)變流裝置的一、二次側(cè)電源之間的電氣隔離。從不同角度看高頻鏈逆變器，可以有不同的劃分形式。按負(fù)載相數(shù)可分為單相和三相；按功率流動(dòng)方向可分為雙向和單向兩種形式；按電路工作機(jī)理分為PWM方式和諧振方式兩種類(lèi)型；按功率變換器的類(lèi)型可分為電壓源（Voltagemode或Buckmode）和電流源（Currentmode或Buckboostmode）兩種；按電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可分為AC/AC變換

3、型、DC/DC變換型（DC/HFAC/DC/LFAC）和周波變流型（Cycloconvertertype）。下面以最后一種劃分方法分別進(jìn)行討論。2高頻鏈逆變技術(shù)分類(lèi)2.1AC/AC變換型2.1.1工頻變壓器隔離型    1973年，由Bedford首先提出高頻鏈（HFlink）轉(zhuǎn)換器的思想1，接著由Gyugui和Pelly進(jìn)行了深入發(fā)展。如圖1所示，輸入側(cè)和輸出側(cè)都采用工頻變壓器隔離，由LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)為周波變換器提供自然換相點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)AC/AC或者DC/AC功能，并且功率可以雙向流動(dòng)，以及功率因數(shù)任意調(diào)整。這種變換型式存在如下主要缺點(diǎn)：  

4、  1）采用工頻變壓器，體積大、笨重；    2）具有音頻噪音；    3）輸入電壓和負(fù)載波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。2.1.2高頻變壓器隔離型    Sood和Lipo用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在諧振轉(zhuǎn)換器中使用雙向GTO實(shí)現(xiàn)高頻鏈電源分布系統(tǒng)的可行性2，如圖2所示。這種變換型式的主要優(yōu)點(diǎn)是    1）采用高頻變壓器，體積小，重量輕；    2）諧振軟開(kāi)關(guān)有利于降低開(kāi)關(guān)損耗、提高效率。    主要缺點(diǎn)是 

5、0;  1）開(kāi)關(guān)器件的耐流能力和耐壓能力大；    2）采用雙向開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)數(shù)目多，成本較高；    3）采用PDM控制方式，需要嚴(yán)格的同步關(guān)系。2.2DC/DC變換型    這種類(lèi)型高頻鏈逆變器是目前應(yīng)用最廣泛的單向功率流動(dòng)電壓源高頻鏈逆變器方案3456，它的經(jīng)典電路如圖3所示。該拓?fù)涫窃谥绷鱾?cè)和逆變器之間插入一級(jí)DC/DC變換器，使用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和電氣隔離。很明顯，它具有三級(jí)功率變換過(guò)程：DC/HFAC/DC/LFAC。這種變換型式的主要優(yōu)點(diǎn)是    1

6、）所有開(kāi)關(guān)都是單向的；    2）DC/DC部分和DC/AC部分的控制相對(duì)獨(dú)立，兩部分配合起來(lái)比較簡(jiǎn)單，基本上不需要同步。    主要缺點(diǎn)是    1）功率單向流動(dòng)；    2）通態(tài)損耗大；    3）由于功率級(jí)較多，導(dǎo)致可靠性降低。2.2.1單端正激式高頻鏈逆變器    如圖4所示，前級(jí)部分由DC/DC正激電路及磁復(fù)位電路組成，采用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，后級(jí)部分由吸收電路、LC諧振電路和單相逆變器組成，采用PDM

7、控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)條件，以便減小開(kāi)關(guān)損耗7。89    1）控制方案1如圖5所示，其主電路包括直流電壓PWM高頻逆變高頻變壓器快恢復(fù)二極管整流大電容濾波SPWM逆變器單相50Hz正弦波輸出。    2）控制方案2如圖6所示，其主電路包括直流電壓SPWM逆變高頻變壓器（具有正弦包絡(luò)線的正弦調(diào)制高頻交流電）快恢復(fù)二極管整流小電容濾波工頻電壓全波整流50Hz方波驅(qū)動(dòng)50Hz正弦波輸出。    由圖5和圖6可見(jiàn)，兩種控制方案的主電路結(jié)構(gòu)基本相同，但控制方法有所不同。在方案1中前后兩部分電路不需要同步，相互獨(dú)立

8、，但開(kāi)關(guān)損耗大。而在方案2中，50Hz方波驅(qū)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于ZVS條件，開(kāi)關(guān)損耗小，但要求嚴(yán)格同步。另外，由方案2可以實(shí)現(xiàn)三相輸出負(fù)載，但是需要三套相同的單相電路，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且相位需要嚴(yán)格同步。2.3周波變流型    它是目前實(shí)現(xiàn)雙向功率傳輸?shù)某Ｓ梅桨?。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由一個(gè)逆變器和一個(gè)周波變流器級(jí)聯(lián)而成，如圖7所示，從而省去了DC/DC變換型高頻鏈逆變器中的直流環(huán)節(jié)，因此只需要二級(jí)功率變換（DC/HFAC/LFAC），減小了逆變器的通態(tài)損耗，提高了系統(tǒng)效率和可靠性。2.3.1硬開(kāi)關(guān)PWM控制方式    如圖8所示10，其三相輸出采用周波

9、變流器形式將高頻電壓變換成三相工頻電壓，主要用于中小容量UPS。采用周波變換器直接將高頻交流變換成工頻交流，與經(jīng)過(guò)直流變換相比較，具有下列特點(diǎn)：    1）電力變換級(jí)數(shù)少，可以提高效率；    2）高頻部分后級(jí)不需要直流電容器，系統(tǒng)總體成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；    3）硬開(kāi)關(guān)PWM控制；    4）當(dāng)高頻變壓器次級(jí)側(cè)開(kāi)路時(shí)，由于變壓器漏感儲(chǔ)能無(wú)放電回路而產(chǎn)生較大的電壓尖峰。    為了解決圖8電路存在的問(wèn)題，在文獻(xiàn)11中，周波變換器的開(kāi)關(guān)控制是與一次

10、側(cè)高頻逆變器同步且在零電壓條件下進(jìn)行的，同時(shí)提出了在一個(gè)采樣周期內(nèi)輸出多個(gè)電壓矢量的脈沖分配方法。文獻(xiàn)12針對(duì)變壓器漏感引起的副邊電壓過(guò)沖問(wèn)題，采用換相重疊方法進(jìn)行抑制，并獲得了ZCS效果。2.3.2LC諧振方式    高頻變壓器原邊部分采用2個(gè)功率開(kāi)關(guān)及LC串聯(lián)諧振方式，副邊部分采用周波變換器形式13，如圖9所示。利用準(zhǔn)零電流ZCS條件來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)采用實(shí)時(shí)反饋控制方法使輸出電壓為正弦波。其主要特點(diǎn)是    1）不需要檢測(cè)HFlink電流的過(guò)零時(shí)刻而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)ZCS；    2）容易實(shí)現(xiàn)輸出電壓實(shí)時(shí)控

11、制；    3）HFlink電流幅值隨輸出電流而變化。2.3.3直流環(huán)節(jié)準(zhǔn)諧振方式    高頻變壓器前級(jí)部分采用直流環(huán)節(jié)準(zhǔn)諧振逆變電路（簡(jiǎn)稱(chēng)QRDCLI)，后級(jí)部分采用周波變換器形式14，如圖10所示。同時(shí)還提出了改進(jìn)的PDM控制策略和數(shù)字控制方法。該系統(tǒng)不需要緩沖電路，而且可以工作于四個(gè)象限。3發(fā)展趨勢(shì)    自從上世紀(jì)80年代以來(lái)，高頻鏈逆變技術(shù)一直受到人們極大的關(guān)注，發(fā)表了大量的相關(guān)文獻(xiàn)。目前存在的高頻鏈逆變器拓?fù)?，一般有以下幾個(gè)特點(diǎn)：    1）DC/DC變換型需要三

12、級(jí)功率變換，通態(tài)損耗高且控制復(fù)雜；    2）周波變流型大量使用雙向開(kāi)關(guān)，增加了電路成本和損耗；    3）電流換相時(shí)存在電壓過(guò)沖問(wèn)題；    4）非純電阻性負(fù)載時(shí)，續(xù)流困難；    5）大部分電路針對(duì)CVCF系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于VVVF系統(tǒng)控制起來(lái)相對(duì)要復(fù)雜；    在單相高頻鏈逆變電路中，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些比較成熟的方案，但三相高頻鏈逆變電路還很不成熟，還需要繼續(xù)深入研究?？傮w來(lái)講，主要涉及三個(gè)方面：    1）使用可關(guān)斷器件和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，提高工作頻率，以便達(dá)到裝置小型化、低成本、無(wú)音頻噪音，并且具有高可靠性、高效率；    2）研究新的組合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析復(fù)雜的工作過(guò)程以及建立數(shù)學(xué)模型，解決目前高頻鏈逆變器存在的缺點(diǎn)；    3）研究各種控制方式，包括PFM、SPWM