高頻鏈逆變電源的設計

段峻¹，段成剛¹，蘇彥民¹，張建榮²，白小青²

(1.西安交通大學，陜西西安710049）

(2.西安愛科電子，陜西西安710075）

摘要：首先簡要地介紹了逆變電源采用高頻鏈逆變技術的優(yōu)勢，然后具體針對1000VA高頻鏈逆變電源進行了主電路和控制方案的設計，并對設計中可能出現(xiàn)的問題進行了考慮，最后給出了相應的仿真波形和實驗波形，證明了該逆變電源具有良好的性能。
關鍵詞：高頻鏈；周波變換器；逆變器；移相控制

1引言
在傳統(tǒng)的逆變電源中，由于大部分采用的都是逆變器—工頻變壓器—濾波器的結構，使得整個逆變電源又大又笨重，難以滿足人們對現(xiàn)代電源高功率密度、高效率、高可靠性、小型輕量化的要求，而且由于制造工頻變壓器需消耗大量的鐵和銅，所以使整個逆變電源的造價很高。為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點，Mr.ESPELAGE于1977年提出了高頻鏈技術的概念，并由于高頻鏈技術能夠大大減小逆變電源的重量和體積，所以成為國內外爭相研究的熱點。
高頻鏈技術是指利用高頻開關技術使隔離耦合變壓器實現(xiàn)高頻化、小型化、無噪聲化的技術。由于
U=4.44fNBS
式中：U為正弦電壓有效值（V）；
f為正弦電壓頻率（Hz）；
N為繞組匝數(shù)（匝）；
B為鐵心磁通密度（T）；
S為鐵心的橫截面積（m2）。
所以，當電壓和鐵心材料選定時，f與NS成反比，即f越大，NS越小，這樣就可以達到減小變壓器的體積和重量的目的。
本文針對電氣化鐵路中廣泛應用的25Hz逆變電源進行了高頻鏈設計。
2主電路的設計
隨著高頻鏈技術的不斷成熟，現(xiàn)在從結構上主要分為二類，即高頻鏈DC/DC變換型和高頻鏈周波變換型。
高頻鏈DC/DC變換型就是在傳統(tǒng)逆變電源的直流側和逆變器之間加入一級DC/DC變換器，由于DC/DC變換器采用的是高頻變換，所以電路中使用的是高頻變壓器，這樣就可以省掉體積龐大的工頻變壓器，其電路結構如圖1（a）所示。雖然DC/DC變換型實現(xiàn)起來比較容易，但是存在功率只能單向流動，負載不能向電源回饋能量；三級功率變換，既使得系統(tǒng)效率低，又使得系統(tǒng)復雜，從而降低了系統(tǒng)的可靠性等缺點。
高頻鏈周波變換型主要由高頻電壓源逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成，其電路結構如圖1(b)所示。與高頻鏈DC/DC型相比，該逆變器實現(xiàn)逆變只經(jīng)過兩級功率變換，降低了變換器的通態(tài)損耗和系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，而且功率可以實現(xiàn)雙向流動。本文介紹高頻鏈周波變換型的主電路設計。

具體實現(xiàn)時，高頻逆變器可以采用推挽式、半橋式和全橋式，周波變換器可以采用全波式、全橋式。考慮到輸出電壓和功率的設計要求，最終確定的電路結構如圖2所示。圖中，Ui為輸入直流電壓，S1、S2、S3、S4組成全橋逆變器，T為高頻變壓器，K1、K2、K3、K4是由2個反向串聯(lián)的MOSFET組成的雙向開關，共同組成全橋式周波變化器，L、C組成LC濾波器。

3控制方法及其實現(xiàn)
本文的高頻鏈周波變換型采用移相控制方案，移相控制是近年來在全橋變換電路拓撲中廣泛應用的一種控制方式。移相控制的基本工作原理為，全橋變換電路每一個橋臂的兩個開關管互補導通，兩個橋臂的開關管導通之間相差一個相位，即所謂的移相角。通過調節(jié)此移相角的大小，來調節(jié)輸出電壓脈沖寬度，達到調節(jié)相應的輸出電壓的目的。
系統(tǒng)工作原理如圖3所示，輸入的220V/50Hz交流市電經(jīng)過整流濾波后變成300V左右的直流，然后經(jīng)過全橋逆變器的高頻逆變，輸出25kHz相鄰脈沖互為反極性的SPWPM（正弦脈寬脈位調制）波，該波形含有SPWM波的全部信息，但不含25Hz調制波的頻率成分，適合于高頻變壓器傳輸。SPWPM波通過高頻變壓器隔離后，用周波變換器同步整流，把25Hz正半周時間內的負脈沖翻轉成正脈沖，把25Hz負半周時間內的正脈沖翻轉成負脈沖之后，將得到25Hz的單極性SPWM波（如圖3中uA′B′所示波形）。SPWM波通過LC濾波，則輸出光滑的220V/25Hz的正弦交流電壓。

為了實現(xiàn)上述的移相控制策略，本文采用了用模擬電路實現(xiàn)PID調節(jié)，用數(shù)字電路CPLD（復雜可編程邏輯器件）來實現(xiàn)驅動信號的時序和邏輯控制的設計方法。這種方法使得整個控制器的集成度提高，可靠性增強，而且為控制電路的設計提供了一定的靈活性。整個控制環(huán)節(jié)分為內環(huán)和外環(huán)兩條控制電路，內環(huán)為電壓瞬時值比例（P）調節(jié)，外環(huán)為電壓平均值的比例積分（PI）調節(jié)。由于內環(huán)響應速度快，可以改善電壓的瞬時波動造成的波形畸變，外環(huán)可以使整體的穩(wěn)壓的特性變硬，從而達到良好的穩(wěn)壓效果。
具體實現(xiàn)上如圖4所示，輸出電壓Uo經(jīng)過反饋變壓器變換得到反饋電壓，再經(jīng)過精密整流電路后，與5V的參考電壓相減，得到的偏差進行PI調節(jié)，然后與基準正弦半波相乘得到內環(huán)瞬時電壓偏差的正弦參考電壓；內環(huán)的瞬時電壓反饋信號經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后，與參考電壓相減

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