【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的逆變電源難以滿足人們對(duì)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(gè)逆變電源的造價(jià)很高。為了克服傳統(tǒng)逆變器的缺點(diǎn),Mr.ESPELAGE于1977年提出了高頻鏈技術(shù)的概念,并由于高頻鏈技術(shù)能夠大大減小逆變電源的重量和體積,所以成為國內(nèi)外爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。
高頻鏈技術(shù)是指利用高頻開關(guān)技術(shù)使隔離耦合變壓器實(shí)現(xiàn)高頻化、小型化、無噪聲化的技術(shù)。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(dāng)電壓和鐵心材料選定時(shí),f與NS成反比,即f越大,NS越小,這樣就可以達(dá)到減小變壓器的體積和重量的目的。
本文針對(duì)電氣化鐵路中廣泛應(yīng)用的25Hz逆變電源進(jìn)行了高頻鏈設(shè)計(jì)。
主電路的設(shè)計(jì)
隨著高頻鏈技術(shù)的不斷成熟,現(xiàn)在從結(jié)構(gòu)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(cè)和逆變器之間加入一級(jí)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(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。雖然DC/DC變換型實(shí)現(xiàn)起來比較容易,但是存在功率只能單向流動(dòng),負(fù)載不能向電源回饋能量;三級(jí)功率變換,既使得系統(tǒng)效 率低,又使得系統(tǒng)復(fù)雜,從而降低了系統(tǒng)的可靠性等缺點(diǎn)。
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(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。與高頻鏈DC/DC型相比,該逆變器實(shí)現(xiàn)逆變只經(jīng)過兩級(jí)功率變換,降低了變換器的通態(tài)損耗和系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高了系統(tǒng)的效率和可靠性,而且功率可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)。本文介紹高頻鏈周波變換型的主電路設(shè)計(jì) 。
(a)高頻鏈DC/DC變換型
(b)高頻鏈周波變換型
圖1 :兩種高頻鏈逆變電路
具體實(shí)現(xiàn)時(shí),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??紤]到輸出電壓和功率的設(shè)計(jì)要求,最終確定的電路結(jié)構(gòu)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(gè)反向串聯(lián)的MOSFET組成的雙向開關(guān),共同組成全橋式周波變化器,L、C組成LC濾波器。
圖2:主電路的電路結(jié)構(gòu)
控制方法及其實(shí)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?fù)渲袕V泛應(yīng)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(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通,兩個(gè)橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位,即所謂的移相角。通過調(diào)節(jié)此移相角的大小,來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度,達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)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(diào)制)波,該波形含有SPWM波的全部信息,但不含25Hz調(diào)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(shí)間內(nèi)的負(fù)脈沖翻轉(zhuǎn)成正脈沖,把25Hz負(fù)半周時(shí)間內(nèi)的正脈沖翻轉(zhuǎn)成負(fù)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。
圖3:主電路的開關(guān)時(shí)序
為了實(shí)現(xiàn)上述的移相控制策略,本文采用了用模擬電路實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié),用數(shù)字電路CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序和邏輯控制的設(shè)計(jì)方法。這種方法使得整個(gè)控制器的集成度提高,可靠性增強(qiáng),而且為控制電路的設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性。整個(gè)控制環(huán)節(jié)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩條控制電路,內(nèi)環(huán)為電壓瞬時(shí)值比例(P)調(diào)節(jié),外環(huán)為電壓平均值的比例積分(PI)調(diào)節(jié)。由于內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快,可以改善電壓的瞬時(shí)波動(dòng)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(dá)到良好的穩(wěn)壓效果。
具體實(shí)現(xiàn)上如圖4所示,輸出電壓Uo經(jīng)過反饋?zhàn)儔浩髯儞Q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(jìn)行PI調(diào)節(jié),然后與基準(zhǔn)正弦半波相乘得到內(nèi)環(huán)瞬時(shí)電壓偏差的正弦參考電壓;內(nèi)環(huán)的瞬時(shí)電壓反饋信號(hào)經(jīng)過比例環(huán)節(jié)后,與參考電壓相減,得到誤差信號(hào),誤差信號(hào)再經(jīng)過P調(diào)節(jié)就直接與三角波比較,產(chǎn)正SPWM波,然后輸入CPLD中,經(jīng)過CPLD產(chǎn)生MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào),其中采用VHDL(硬件描述語言)編程來實(shí)現(xiàn)圖4中虛框所示的功能——分頻器、地址產(chǎn)生器、比較器和時(shí)序邏輯發(fā)生器。
圖4:控制電路圖
如圖3所示本文采用的是用等腰三角波來實(shí)現(xiàn)雙邊調(diào)制。國外許多高頻鏈設(shè)計(jì)中通常采用的是鋸齒波實(shí)現(xiàn)單邊調(diào)制,其直邊用于同步開關(guān)時(shí)序,斜邊用于脈寬調(diào)制,而在實(shí)際應(yīng)用中,這種方法存在鋸齒波的直邊不能完全垂直而帶來的開關(guān)時(shí)序同步問題。本文所采用CPLD進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)的方法,從根本上解決了開關(guān)時(shí)序同步的問題。
設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題
變壓器的設(shè)計(jì)
變壓器設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán),設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整機(jī)的性能有很大的影響。由于所設(shè)計(jì)的變壓器是高頻變壓器,因此,磁芯材料選用鐵氧體。通過計(jì)算AP值的方法來計(jì)算變壓器磁芯規(guī)格和原副邊匝數(shù)后,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)修正確定最佳的參數(shù);
2)盡量選用多股線,減少趨膚效應(yīng);
3)盡量將副邊繞制在內(nèi)層,原副邊緊密繞制,以減小副邊的漏感。
抗偏磁飽和
為了防止變壓器的偏磁飽和,一方面,調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖死區(qū),選擇開關(guān)特性一致的功率開關(guān)管;另一方面,在變壓器的原邊串聯(lián)隔直電容。有關(guān)幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式如下:
吸收電路的設(shè)計(jì)
由于電壓源高頻鏈逆變技術(shù)存在固有的電壓過沖問題,因此如何設(shè)計(jì)吸收電路,對(duì)保護(hù)功率開關(guān)管尤為重要。這里給出簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法。
死區(qū)時(shí)間和共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間
為了防止全橋逆變電路一個(gè)橋臂中的上下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而出現(xiàn)直通的情況,需要在全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)中加入死區(qū)時(shí)間。同時(shí),為了保證當(dāng)開關(guān)管換流時(shí),濾波電感中的電流有續(xù)流通路,要在周波變換器的驅(qū)動(dòng)中加入共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間。但是由于共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間也造成了變壓器副邊瞬間短路,將產(chǎn)生一個(gè)很高的電流尖峰,所以共態(tài)導(dǎo)通時(shí)間不宜設(shè)置過長,為此,在變壓器副邊串入小電感來抑制電流尖峰。
仿真及其實(shí)驗(yàn)波形
本文利用MATLAB6.1提供的SIMULINK工具包對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立了仿真模型進(jìn)行仿真。仿真模型參數(shù):輸入直流電壓300V,輸出交流電壓220V,25Hz,額定容量1000VA,開關(guān)頻率25kHz,變壓器變比1/1.4,輸出濾波電感L=0.5 mH,輸出濾波電容C=20μ F額定負(fù)載R=45Ω。仿真波形如圖5所示 。
(a)變壓器原邊電壓波形
(b)變壓器副邊電壓波形
(c)空載輸出電壓波形
(d)帶載輸出電壓波形
圖5:仿真波形
原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。
(a)變壓器原邊電壓波形100V/Div 20μs/Div
(b)變壓器副邊電壓波形125V/Div 20μs/Div
(c)空載電壓波形100V/Div 10ms/Div
(d)滿載電壓波形100V/Div 10ms/Div
圖6:實(shí)驗(yàn)波形
采用周波變換器高頻鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的逆變電源電壓輸出特性良好,相對(duì)于傳統(tǒng)的逆變電源具有重量輕、體積小、低噪音、成本低的諸多優(yōu)點(diǎn),具有較高的實(shí)用價(jià)值。