基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变器研究

1、第24卷第1期2005年1月电工电能新技术Vol.24,No.1Jan.2005基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变器研究孙向东,任碧莹,钟彦儒(西安理工大学,陕西西安710048)摘要:本文将移相控制、LCC谐振电路与SPWM控制技术有机结合,提出了一种单相软开关高频链逆变电路拓扑,它主要由单极性移相控制逆变器、LCC谐振电路、高频变压器、周波变流器和低通滤波器组成。在深入分析了它的工作原理、,针对阻性负载进行了开环实验,关键词:单极性移相控制;LCC谐振;M;中图分类号:TM91:23076(2005)01200182041引言随着功率半导体器件和微机控制技术不断发展,高频链软开关技术也获得

2、了广泛应用。从电路拓扑结构看,高频链逆变器分为DCDC变换型和周波变流型两种。前者应用较广,但功率级较多,导致效率和可靠性不够理想,适用于功率单向流动场合。后者省去直流环节,因此只需二级功率变换,减小了逆变器通态损耗,提高了效率和可靠性。但周波变1流器换流时,存在电压尖峰现象,需要吸收网络,从而降低了可靠性和增加了电路复杂性。本文结合恒频移相控制、LCC谐振电路与SP2WM控制技术,提出一种基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变电路,该电路最大限度地实现了软开关特性的同时,也解决了周波变流器开关换流时的电1压尖峰问题。通过电路分析和实验,证明该电路拓扑是实用可行的。通过滤波电感Lf和电容Cf滤除其

3、高频分量,只剩下低频正弦信号,从而获得正弦度较好的低频交流输出电压Vo,如图2所示。图1基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变电路Fig.1Constant2frequencyphase2shiftedHFlinkinverteronthebasisofLCCresonantcircuit2新型软开关高频链逆变电路结构如图1所示,前级电路由LCC谐振式全桥移相电路和高频变压器组成。后级电路由周波变流器和低通滤波器组成。前级电路控制移相角按正弦规律变化,使谐振电容电压脉冲列的幅值追踪参考正弦电压信号,在谐振电容电压Vcp的过零点,双向开关组成的周波变流器进行开关切换,变换成输出电压V2,然后收稿日期

4、:2003210215基金项目:陕西省自然科学基金资助项目;陕西省教育厅基金资助项目(04JK198)作者简介:孙向东(19712),男,辽宁籍,副教授,博士,主攻变频调速系统,高频链逆变技术,开关电源等。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图2工作原理波形Fig.2Waveformsofworkingprinciple第1期孙向东,等:基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变器研究193控制方法分析2,3器开关过程不设死区时间,而是将S5和S6或S7和S8

5、同时直通,使高频变压器剩余储能迅速放掉,这前级移相全桥开关S1S4的控制方法如图3所示。首先,将三角载波信号Uc和正弦半波调制信号Um进行单极性调制,形成正弦脉宽调制信号Ucmp:当三角载波信号Uc高于调制信号Um时,输样可以有效地抑制电压尖峰,同时防止电压尖峰叠加在高电压上,保证开关安全换相。4移相全桥电路工作情况分析4,5出低电平;当三角载波信号Uc低于调制信号Um时,输出高电平。其次,将Ucmp信号的下降沿和上升沿分别作为二分频电路的时钟触发信号,从而获得开关S1和S4的控制信号。最后,根据互补关系得到S2和S3控制信号。定义临界移相角0,表示滞后桥臂由零电压开通过渡为零电流关断时的角度

6、。设计移相电路开关频率大于谐振频率,则在一,<0、0,注入谐振网,因此着重分析上述情由于开关频率远大于逆变器输出频率,所以一个开关周期内,整个后级电路等效为电流源IE。如图4所示,它由8种开关模式组成。(a)开关模式1和(b)开关模式2谐振电流流经D1和S3。当谐振电流到零时,D1软恢复阻断,S3零电流关断。(c)开关模式3谐振电流经S1、D3流动,此时S1零电压开通。(d)开关模式4D3硬恢复阻断,S4硬开通。谐振电流经过S1、S4流动。(e)开关模式5和(f)开关模式6S1硬关断,谐振电流流经D2和S4。当谐振电流到零时,D2软恢复阻断,S4零电流关断。(g)开关模式7谐振电流经S2

7、、D4流动,此时S2零电压开通。图3控制方法波形Fig.3Waveformsofcontrolmethod(h)开关模式8D4硬恢复阻断,S3硬开通。谐振电流经过S2、S3流动。表1双向开关控制规律Tab.1Controlrulesofbi2directionalswitchesVsinrefVcpS5(S8)S6(S7)极性+-极性+-+-状态onoffoffon状态offononoff由此可见,此时移相电路超前桥臂开关零电压开通,其反并联二极管软恢复阻断,滞后桥臂开关零电流关断,其反并联二极管硬恢复阻断。5实验结果根据上述分析,设计了一台开环控制的原理样机。所用参数:H,Vin=100V,

8、Vo=220V,Po=150W,Lr=240F,Cs=1.2Cp由于周波变流器的输入电压是高频交流信号,因此双向开关S5S8必须如表1进行动作,才能达到输出交流正弦电压的目的,如图3所示。由于周波变流器在ZVS条件下开通和关断,因此周波变流=F,0.45fc=40kHz,fr=18kHz,高频变压器匝比N=12,Lf=5mH,F,R=180,90°Cf=0.1。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 20电工电能新技术第24卷<图50时uA

9、B电压和开关管电流展开波形Fig.5WaveformsofvoltageuABandswitchingcurrentsinconditionof<>图60时开关管驱动信号及其电流展开波形图4移相角>0的电路开关模式Fig.4Workingmodesinconditionof>0Fig.6Drivingsignalsandswitchingcurrentsinconditionof>0© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1

10、期孙向东,等:基于LCC谐振的恒频移相高频链逆变器研究参考文献(References):21图5(a)和(b)表明移相角<0时,移相电路所有开关ZVS开通。图6(a)和(b)表明移相角>0时,超前桥臂ZVS开通,滞后桥臂ZCS关断。1MMatsui,MNagai,MMochizuki,etal.High2frequencylinkDCACconverterwithsuppressedvoltageclampcircuits2natu2rallycommutatedphaseanglecontrolwithselfturn2offdevicesJ.IEEETrans.Ind.Appl

11、.,1996,32(2):2932300.2陈道炼,李磊(ChenDaolian,LiLei).电压源高频交流环节ACAC变换器原理研究(ResearchonprinciplesofthevoltagemodeACACconverterswithhighfrequencyAClink)J.电工技术学报(Trans.ChinaElectrotechnicalSoci2ety),2001,16(6):25230.3陈道炼,(Chenoujun).单极性移(Researchonuni2phaseshiftinghighfrequency中电机工程学报(Proc.ofthe),2003,23(4):2

12、7230.4KOguchi,EIkawa,YTsukiori.Athree2phasesinewavein2vertersystemusingmultiplephase2shiftedsingle2phaseresonantinvertersJ.IEEETrans.Ind.Appl.,1993,29(6):107621083.5VBelaguli,AKSBhat.OperationoftheLCC2typeparallelresonantconverterasalowharmonicrectifierJ.IEEETrans.Ind.Appl.,1999,46(2):2882299.图7表明周波

13、变流器输出电压V2过零时,开关控制信号进行动作,因此周波变流器的双向开关为ZVS开通和关断,同时可以看出在输出电压V2上没有出现电压尖峰,表明高频变压器的副边电压V1上也没有电压尖峰,因此可知高频变压器的剩余储能得到了有效释放。图7S5、S8控制信号和V2电压展开波形Fig.7ControlledsignalofS5andS8andunfoldedwaveformofvoltageV26朱建华,罗方林(ZhuJianhua,LuoFanglin).多元件功率谐振变换器的小信号模型(Small2signalmodelofmulti2ele2mentpowerresonantconverter)J

14、.电工电能新技术(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2003,22(2):125.7王汝文,姚建军,姚晓莉(WangRuwen,YaoJianjun,YaoXiaoli).零电流开关电流源谐振逆变器拓扑和参数计算(Acircuittopologyofresonantinverteroperatingatzerocurrentswitchmodeanditsparametercalculations)J.电工电能6结论通过分析和实验可知,当谐振电流连续时,得出如下结论:(1)当移相角<0时,移相电路所有开关为ZVS开通;(2)当移相角>0时,移相电路的

15、超前桥臂ZVS开通,滞后桥臂ZCS关断;(3)周波变流器实现了ZVS开关,解决了开关新技术(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2001,20(3):14218.8王国礼,金新民(WangGuoli,JinXinmin).LCC谐振网络在有源吸收电路中的应用(ApplicationofLCCresonantnetworkinactivesnubbercircuit)J.电工电能新技术(Adv.Tech.ofElec.Eng.&Energy),2001,20(3):64267.切换时的电压尖峰问题。ResearchonaLCCresonance2basedp

16、hase2shift2controlledhigh2frequencylinkinverterSUNXiang2dong,RENBi2ying,ZHONGYan2ru(XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)Abstract:Asingle2phasehighfrequency(HF)linkinverterforsoft2switchinginwhichconstant2frequencyphase2shiftedLCCresonantcircuitandSPWMcontroltechniqueareintegratedtightlyisproposed.Theinverteriscomposedofuni2po2larityphase2shift2controlledinverter,LCCresonantcircuit,HFtransformer,cycloconverterandlow2passfilter.Itswork2ingprinciple,controlmethodandworkingmodesinCCMareanalyzedindetailfortheresistiveload,andtheexperimentsa