高頻鏈技術的發展與應用

目前,DC／AC逆變電源已經在很多領域得到了十分廣泛的應用,而且在新能源,如太陽能電池、燃料電池等的DC／AC變換中也得到了廣泛應用。傳統的低頻逆變技術,采用的是工頻變壓器,具有體積大、重量大、音頻噪聲大等缺點。為了克服這些缺點,Mr. Espelage于1977年提出了高頻鏈逆變技術的新概念,利用高頻變壓器實現了輸入與輸出的電氣隔離,減小了變壓器的體積和重量,該系統由一個并聯逆變器和12個晶閘管組成的周波變換器構成,具有簡單的自適應換流、高頻電氣隔離、獨立的有功能量和無功能量控制、固有的四象限工作能力等優點,但受當時半導體器件的限制,諧振儲能電路工作頻率局限在2~4kH。范圍,未完全體現高頻鏈逆變技術的優越性。近年來,隨著功率半導體器件的發展,高頻鏈技術引起人們越來越多的興趣。
??? 高頻鏈逆變技術用高頻變壓器替代了低頻逆變技術中的工頻變壓器,克服了低頻逆變技術的缺點,顯著提高了逆變器的符性。高頻鏈逆變技術按功率的傳輸方向可分為單向型和雙向型,按功率變換器的類型町分為電壓源型和電流源型。

1 高頻鏈逆變器簡介
??? 傳統的低頻逆變電路結構如圖1所示。在把直流逆變成各種工作頻率的交流這一科研領域中,國內外許多的專家和學者都進行了大量的深入研究,以期去掉低頻變壓器,從而達到簡化結構、減小體積和重量,提高效率等目的。

??? 單向高頻鏈逆變電路結構如圖2所示,兩次使用了逆變器,一次是通過逆變獲得高頻,以便利用高頻變壓器進行變壓和隔離,再經高頻整流得到所需電壓等級的直流,第二次是為了獲得低頻正弦交流電壓,具有單向功率流、三級功率變換(DC一HFAC—DC—LFAC)、輸出電壓紋波小、技術成熟、應用廣泛等優點,但是環節多增加廠功率損耗,而且隨著開關頻率的升高,采用傳統PWM技術方案時存在過大的功率器件損耗和嚴重的電磁干擾問題。

??? 為了提高高頻逆變電路的效率,以期直接利用高頻變壓器同時完成變壓、隔離、SPWM逆變的任務,因此提出了雙向高頻鏈逆變技術,如圖3所示。由于少用了一級功率逆變器,從而達到簡化結構、減小體積和重量、提高效率的目的,為實現電力電子沒備的高頻、高效、高功率密度創造了條件。

2 雙向電壓源高頻鏈逆變器
??? 雙向電壓源高頻鏈逆變拓撲族如圖4所示,從輸入側逆變級看,推挽式電路適用于低壓輸入變換場合;半橋和全橋電路適用于高壓輸入場合。從輸出側周波變換級看,全波式電路功率開關電壓應力高,功率開關數少,變壓器繞組利用率低,適用于低壓輸出變換場合;全橋式電路功率開關電壓應力低,功率開關數多,變壓器繞組的利用率高,適用于高壓輸出場合。

??? 雙向電壓源高頻鏈逆變器具有雙向功率流,減少了功率變換級數的優點,但卻存在一個固有的缺點,即采用傳統PWM技術的輸出周波變換器換流時阻斷了高頻變壓器漏感中連續的能量,于是導致高頻變壓器和輸出周波變換器之間出現電壓過沖。因此,這類逆變器通常需要采用緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲在漏感中的能量,從而增加了功率器件數和控制電路的復雜
性。同時還要保證高頻變壓器在低頻交流信號的正負半周單極性往復工作中避免變壓器磁芯飽和,確保低頻交流信號被線性傳遞。
??? 針對電壓過沖問題,專家和學者們不斷尋求更好的方法,提出了一些新的控制策略和技術,如換流重疊的單極性、雙極性移相控制技術,它通過控制高頻逆變器和周波變換器的相移來調節輸出電壓和功率流向,實現周波變換器功率管的自然換流,消除了電壓尖峰;還有將串聯諧振技術和雙向電壓源高頻鏈逆變器相結合的技術。
??? 針對磁芯飽和問題,提出了一些新的電路拓撲,現簡單介紹兩個改進的電路,如圖5所示。圖5(a)中變壓器原邊的兩個正激變換器將高頻單極性SPWM脈沖序列分成兩組驅動脈沖,這兩個正激變換器是由這兩組SPWM驅動脈沖分別控制的,因此最大的工作占空比可以大于0.5,不存在磁芯飽和的問題,且具有較低的電壓應力。而副邊兩個主開關管是由與輸出頻率相同的低頻方波控
制的,因此控制簡單,且易于實現軟開關,能夠降低開關損耗和減少噪聲。同時副邊還增加了兩個能量反饋電路,因此給感性電流提供了通路,避免了電壓過沖的發牛。圖5(b)實質為共用一個變壓器鐵芯和副邊的兩個單端反激變換器,由它完成對低頻電功率的變壓、隔離、傳遞的任務,但由于當開關管接收控制信號脈沖列導通吋,在低頻調制信號的正半周和負半周內,施加在變壓器繞組上的是同一方向的電壓,變樂器磁芯中的磁通可能將級進地逐漸增加,導致磁芯飽和,造成磁偏或單向磁化,導致低頻電信號放大失真或由于很大的磁化電流而無法正常工作,因此提出了逐個脈沖磁復位技術,就是在每個高頻脈沖之后及時采取措施．使每個高頻脈沖引起的磁通增加都回復到零,從而避免磁芯飽和。

3 電流源高頻鏈逆變器
??? 基于Buck(Forward)變換器的單向、雙向電壓源高頻鏈逆變器,雖然具有單向或雙向功率流、變換效率高、輸出容量大、輸出電壓紋波小等優點,但是,電壓源高頻鏈逆變器在負載過載甚至短路時,其功率開關電流的上升率將比正常工作時大得多,縮短了保護電路的動作時間。而基于Buck—Boost(Flvback)變換器的電流源高頻鏈逆變器,其高頻變壓器不僅能實現電隔離和電壓調整功能,而且能存儲能量,因此,其儲能式變壓器的電感能夠起到限流作用,在負載過載甚至短路時,其功率開關電流的上升率與正常工作時相同,為功率開關的保護電路贏得了足夠的動作時間,其可靠性將比電壓源高頻鏈逆變器高。
??? 電流源高頻鏈逆變器拓撲族如圖6所示。單管單向式電路由于只能單向傳遞功率、負載適應能力差,只適用與對輸出電壓波形要求不高的小功率阻性負載場合。單管雙向式、推挽式電路能雙向傳遞功率、負載適應能力強;推挽式又比單管雙向式有更少的功率開關數和更小的一次側功率開關電流應力,適用于低壓輸入的小功率逆變場合。半橋和全橋式電路也能雙向傳遞功率、負載適應能力強,適用于高壓輸入的小功率逆變場合,但半橋式存在兩個橋臂電容電壓嚴重的不平衡現象。

??? 雙向電流源高頻鏈逆變器解決了雙向電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過沖問題,而且與電壓源高頻鏈逆變器相比,具有更簡潔的電路拓撲、更高的可靠性、控制方案簡單、效率高以及動態響應良好等優點,因而在小功率場合具有良好的應用前景,但其輸入電流、輸出電壓紋波大,僅適用于小功率場合,中大功率的逆變場合應優先選用電壓源高頻鏈逆變器。

4 直流變換器型高頻鏈逆變技術
??? 直流變換器型高頻鏈逆變器由直流變換器和極性反轉逆變橋構成,包括單向直流變換器型、雙向直流變換器型和雙向正反激組合直流變換器型等高頻鏈逆變器電路結構,具有電路結構簡潔、直流變換級工作在SPWM(輸出電壓調節范圍寬)、極性反轉逆變橋功率開關電壓應力低且為ZVS、輸出濾波器負載減輕等優點。逆變器類型由前置直流變換級類型決定,包括電壓源和電流源兩
類。雙向直流變換器型高頻鏈逆變框圖如圖7所示。

5 三相電壓源型高頻鏈逆變技術
??? 現代逆變電源主要向如下幾個方向發展,如高頻功率變換、交流側單位功率團數、低電磁干擾、體積小重量輕、雙向功率流等。單相高頻鏈技術已經得到了廣泛的發展和應用,隨著應用場合范圍的擴大和對功率要求的提高,三相高頻鏈技術也開始被重視并發展,主要是改進控制方法來降低功率損耗。
??? 三相高頻鏈典型的電路結構如圖8所示,由電壓源逆變器、高頻變壓器和周波變換器組成。逆變器輸出高頻電壓,變壓器將高頻輸入和輸出進行隔離,周波變換器提供三相脈寬調制電壓。逆變器是由4個ICBT和4個反并聯二極管以單相橋方式組成,周波變換器是由6個雙向開關管以三相橋方式組成。

??? 為了獲得正弦輸出,專家和學者們提出了許多不同的方法,如正弦波脈沖幅度調制、由鋸齒波做參考信號、積分環控制、空間矢量調制、差頻調制等,同時還提出了混合調制的方法,這種方法是基于載波調制、空間矢量調制(SVM)和數字標量調制(DSM)之間的相關性而提出的。
??? 周波變換器和三相逆變器的工作原理是相似的,只是三相逆變器的輸入是一個直流電壓,而周波變換器的輸入是一個正負交替變換的方波電壓,因此,當周波變換器的輸入電壓為正時,周波變換器的PWM信號和三相逆變器的PWM信號相同,而當輸入電壓為負時,周波變換器的PWM信號正好和三相逆變器的PWM信號相反,如圖9所示,而且當三相逆變器的PWM信號和逆變器輸出電壓的極性同步時,周波變換器的開關頻率最小。

??? 為了降低周波變換器的開關損耗,也提出了許多方法和策略,如非諧振ZV5、電源換相(soure commutation)(即ZCS)和電壓箝位及其它們的改進方法。
5.1 非諧振ZVS技術
??? 圖10中的虛線是圖9中的PWM信號和逆變器輸出電壓信號,但只有在周波變換器輸出的最大寬度電壓內才要求逆變器必須輸出電壓,在半個開關周期內的其他時間逆變器的輸出都為O,因此,周波變換器PWM信號的邊界可以移到逆變器輸出為0的區域,如圖10所示,開關器件都是在零電壓期間進行開通和關斷。
??? 圖11為空間矢量圖,它是由6個向量(V1~V6)和兩個零向量(V0和V7)構成的,分成6個區間。圖12是當周波變換器輸入電壓為(a)時,傳統PWM(b)和非諧振ZVS PWM(c)兩種模式在區域V中的波形圖。由于上述非諧振ZVS只能在從一個開關周期到另一個開關周期變換時實現軟開關,因此義提出了一種新的控制方案,不僅在周期變換時而且在周期內都能實現軟開關。表1列出了3種PWM模式的比較。

5.2 電源換相技術
??? 利用逆變器的輸出電壓進行換相,短路電流的方向和負載電流的方向相反,如圖13所示。如果負載電流為正,導通開關從SUPP到SUNP變化,如果延時SUPP的關斷信號,由逆變器輸出電壓產生的短路電流將會減小SUPP中的電流,當短路電流等于負載電流時,就完成了換相,而沒有開關損耗,也因此這種技術又稱為ZCS技術。

5．3 電壓箝位技術
??? 在有開關器件的電路中,往往通過增加緩沖電路來防止開關器件出現過電壓,但在緩沖電路中會產生大量功率損耗,而圖14中虛線部分組成的電壓箝位電路就可以解決此問題。電壓箝位電路包括一個電容、4個開關管和10個二極管。在周波變換器換相的時候,電容吸收儲存在變壓器漏感上的能量,這就可以避免開關器件發生電壓過沖,而且為了降低功率損耗,儲存在電容上的能量還可以通過4個開關管反饋回逆變器端或負載端。在周波變換器死區時間內負載電流可以通過二極管DC5-DC10導通,而且還可以當負載過流時快速切斷負載,而不會形成過壓導致周波變換器中的開關管擊穿。

6 結語
??? 高頻鏈逆變技術已經成為專家和學者們的重點研究方向,通過不斷改進電路拓撲結構和控制方法來解決其固有的電壓過沖、功率損耗大、負載適應能力弱等問題,它的發展推動了逆變技術的進步,使逆變電源不斷朝著高功率密度、高變換效率、高町靠性、無污染、智能化的方向發展。隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張,新能源的開發和利用越來越得到人們的重視,利用逆變技術可以將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源變換成交流電能供使用或與電網并網,因此,高頻鏈逆變技術在以新能源為直流電源的場合有著非常廣泛的應用前景。