此文獲得由本刊承辦的“華為電氣杯”論文大獎(jiǎng)賽一等獎(jiǎng)（只有一名），它代表了我國(guó)當(dāng)前電源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平，經(jīng)作者同意作為本期首篇文章介紹給讀者。

全橋電流源高頻鏈逆變器

Full－bridgeCurrentModeHigh－frequencyLinkInverter

摘要：全橋電流源高頻鏈逆變器基于Flyback變換器，由全橋高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器三部分組成。其高頻變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓增益的調(diào)整功能，而且還能存儲(chǔ)能量。該逆變器解決了電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過(guò)沖問(wèn)題，降低了周波變換器的開(kāi)關(guān)損耗，簡(jiǎn)化了高頻變壓器的結(jié)構(gòu)，減低了逆變器的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力。本文介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制方案和簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果和樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該逆變器具有下述優(yōu)點(diǎn)：緊湊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的控制方案和高頻變壓器結(jié)構(gòu)、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、帶非線性負(fù)載能力和低開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：高頻鏈逆變器拓?fù)浞抡?/P>

1引論

　　近來(lái)，高頻鏈逆變技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越濃的研究興趣。高頻鏈逆變技術(shù)用高頻變壓器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)逆變器中笨重的工頻變壓器，大大減小了逆變器的體積和重量。

???在本文中，根據(jù)高頻變壓器的功能將現(xiàn)有的高頻鏈逆變器分成兩類：電壓源和電流源。區(qū)別于電壓源高頻鏈逆變器，電流源高頻鏈逆變器中的高頻變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓增益的調(diào)整，而且有存儲(chǔ)能量的功能。

???電流源高頻鏈逆變器基于Flyback變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4－6，也是由高頻逆變器、高頻變壓器和周波變換器三部分組成。其高頻變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓增益調(diào)整功能，而且能存儲(chǔ)能量。故可以省去輸出濾波電感，并解決了電壓源高頻鏈逆變器的電壓過(guò)沖問(wèn)題。因此，電流源高頻鏈逆變器具有緊湊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的控制方案和良好的動(dòng)態(tài)性能。然而，文獻(xiàn)[4]提出的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要兩個(gè)副邊繞組，而每個(gè)副邊繞組只工作半個(gè)工頻周期，繞組的利用率低。另外，電流源高頻鏈逆變器工作于電流斷續(xù)模式，導(dǎo)致較高的電流、電壓應(yīng)力和通態(tài)損耗。

2主電路描述

2．1工作原理

圖4所示為全橋電流源高頻鏈逆變器的電路波形示意圖，其中負(fù)載為感性負(fù)載（功率因數(shù)為cosφ）,逆變器工作于電流斷續(xù)模式。該逆變器基于Flyback變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其高頻變壓器不僅能實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓益調(diào)整功能，而且能存儲(chǔ)能量。周波變換器中的開(kāi)關(guān)S5、S6通常工作在工頻，只有當(dāng)負(fù)載向電源回饋能量時(shí)才工作于高頻。但在電壓源高頻鏈逆變器中的開(kāi)關(guān)器件始終工作于高頻。因此該方案可以解決電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過(guò)沖問(wèn)題，并降低了周波變換器的開(kāi)關(guān)損耗。其高頻變壓器只有一個(gè)副邊繞組，結(jié)構(gòu)比文獻(xiàn)[4]中的簡(jiǎn)單，提高了繞組的利用率。

該逆變器具有四象限工作能力，在每個(gè)象限均為一個(gè)Flyback變換器。當(dāng)輸出電壓和電流同向時(shí)，逆變器工作在第Ⅰ和Ⅲ象限，相應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5（a）和(c)所示，逆變器功率流向?yàn)閺妮斎氲捷敵觥．?dāng)輸出電壓和電流異向時(shí)，逆變器工作在第Ⅱ和第Ⅳ象限,相應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5(b)和(d)所示,負(fù)載向電源回饋能量。因此，電流源高頻鏈逆變器能雙向傳輸功率，能適用于許多應(yīng)用場(chǎng)合。

2．2控制方案

逆變器的控制方案采用瞬時(shí)值電壓反饋控制方案。圖6所示為控制電路的框圖，其中Usy為基準(zhǔn)電壓的同步方波，Ue為誤差電壓，UF為輸出電壓U0的反饋電壓。

如上所述，每一個(gè)工作模式的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都為工作于電流斷續(xù)模式下的Flyback變換器。因此，該逆變器屬于單極點(diǎn)系統(tǒng)，就很容易設(shè)計(jì)串聯(lián)反饋補(bǔ)償器[5]。

2．3簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)

　　假設(shè)：

（1）電路處于穩(wěn)態(tài)；

（2）fs?f0,其中fs為逆變器開(kāi)關(guān)頻率,f0為輸出電壓頻率;

（3）高頻變壓器工作于線性區(qū);（4）輸出電壓u0=U0sinωt,輸出電流i0=I0sin(ωt－?)；

（5）電感性負(fù)載,功率因數(shù)為cosφ。

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)輸出電壓u0和輸出電流I0同向時(shí)，有下式成立：

ηEin=Eout(1)

其中Ein和Eout分別為一個(gè)周期內(nèi)逆變器的輸入和輸出能量，η為逆變器的效率。

輸入能量Ein

其中D為開(kāi)關(guān)S1，3的占空比，Ts為開(kāi)關(guān)周期。

根據(jù)以上假設(shè)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓和電流可視為不變。于是，輸出能量Eou為：

其中P0為逆變器的輸出功率。于是式（1）可寫為：

η(DTsUin)2/2L1=2TsP0sinωtsin(ωt－?)(4)

所以，開(kāi)關(guān)S1，3的占空比函數(shù)

同理可得，其它開(kāi)關(guān)的占空比變化函數(shù)。

因此，開(kāi)關(guān)S1，3的最大占容比Dmax

假設(shè)輸入電壓Uin=48V,開(kāi)關(guān)周期Ts=20μs,輸出功率P0=400W,Dmax=0.5,逆變器效率η=85％,那么高頻變壓器的原邊電感L1為:

L1=ηTsD2maxU2in/4P0=6.1μH(7)

3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7所示為該逆變器的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。它證實(shí)了上述對(duì)逆變器的分析結(jié)果。PSPICE仿真程序參見(jiàn)附錄。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

?輸入電壓：48V；

?輸入電壓：220V/50Hz；

?輸出功率：400W；

?開(kāi)關(guān)頻率：50kHz

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用的器件參數(shù)：

?高頻變壓器：

磁心：TDKPC30

原邊：3匝，?w=1mm銅線四股并繞

副邊:21匝,?w=0.5mm銅線雙股并繞

?S1－4:IRF150,D1－4:FED30JP

S5－6:IXGH25N100A,D5,6:U8100

?C0:4.2μf/220VAC

20V/div,時(shí)間：5ms/div

u0:200V/div，i0:1A/div,時(shí)間：5ms/div

u0:200V/div,i0;2A/div,時(shí)間：5ms/div

u0:200V/div,i0;2A/div,時(shí)間：5ms/div

4結(jié)論

　　本文介紹了全橋電流源高頻鏈逆變器的工作原理、控制方案、設(shè)計(jì)、仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該逆變器具有下述優(yōu)點(diǎn)：緊湊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙向功率傳輸、簡(jiǎn)單控制方案、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和非線性負(fù)載能力。與文獻(xiàn)[4]的方案相比，其高頻變壓器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力更低。

然而，由于電流源高頻鏈逆變器工作于電流斷續(xù)模式，將導(dǎo)致較高的開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力和通態(tài)損耗。另外，由于全部變換能量必須存儲(chǔ)在磁心中，故逆變器的輸出功率將受到磁心的限制。因此，單臺(tái)電流源高頻鏈逆變器不適用于大功率場(chǎng)合。

綜上所述，在小功率場(chǎng)合電流源高頻鏈逆變器的性能要優(yōu)于電壓源高頻鏈逆變器，而在大功率場(chǎng)合可以考慮采用多機(jī)并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)容，以克服其不足之處。