负载谐振型航空静止变流器论文

1、摘要论文题目：基于DSP的负载谐振型航空静止变流器的研究学科专业：电力电子与电力传动研 究 生： 签名：指导教师：副教授 签名：摘 要随着航空事业的发展，对飞机供电的要求日益提高。在提高发电机容量的基础上，二次电源的地位和作用愈显重要。静止变流器因其高效率、高功率密度、高可靠性等优点引起人们越来越多的关注和研究。本文以单级式单相航空静止变流器为主要研究对象，通过对常用的DC/AC主电路拓扑结构比较分析，选择拓扑结构简单、适用于中小容量的全桥全波式电路结构作为主电路拓扑。针对因逆变器输出方波电压含有较大谐波导致变压器寿命减少及电磁干扰大、电磁兼容性差的问题，选择将负载谐振变换电路作为中间电压信号

2、变换环节的方案。本文采用双极性双调制波SPWM控制方式，分析在此控制方式下主电路拓扑的稳态工作原理。对比几种谐振电路优缺点后选择LCC型负载谐振变换器，对其稳态工作原理进行了详细分析，并利用MATLAB软件研究其输出特性。详细说明谐振电路的参数设计步骤，并设计出一组参数。在PSIM仿真环境下建立系统仿真模型，给出仿真结果与分析。最后以TMS320F2812 DSP为核心控制芯片，编写系统软件程序，设计驱动电路、反馈调理电路、系统保护电路、换流重叠电路等。根据设计搭建实验平台，进行硬件电路联合调试，并给出实验结果。结果表明全桥逆变器开关管均实现了零电压开通，周波变换器开关管均实现了零电流关断。通

3、过实验及仿真结果证明本文方案的正确性。关键字：静止变流器；LCC负载谐振；软开关Title：RESEARCH ON LOAD RESONANT FOR AERONAUTICAL STATIC INVERTER BASED ON DSPMajor：POWER ELECTRONICS & ELECTRIC DRIVEName：Yujie WANG Signature: Supervisor：Associate prof. Jingang LI Signature: AbstractWith the increasing electrical applications in aircraft,the

4、 higher performances of aircraft power supply system are required.Besides enlarging the capacity of generator,secondary power system plays a more and more important role.Static inverters,because of high efficiency,high power density and high reliability,have been more researched and developed in rec

5、ent years. In this paper single-stage and single-phase Aeronautical Static Inverter(ASI) is being researched,after comparating the several common DC/AC circuits topologies,the full-bridge full-wave topology is choosed, which is simple and easy to control in this power range situation. For short life

6、 of high-frequency transformer, high electromagnetic interference, poor electromagnetic compatibility because of square wave of inverter, selcet the load resonant circuit as an important part of the main circuit topology. In this paper,the bipolar and double modulation waves SPWM control strategy is

7、 using, steady work principle of the main circuit topology is analyzed. LCC load resonant converter is choosed after comparating the advantages and disadvantages of several commonly load resonant circuits, and analyzing output performance by MATLAB software. Design steps of resonant circuit paramete

8、rs are introduced and a group of parameters is designed. Simulation model of the whole system is established in PSIM simulation environment, and the simulation results are presented. The system software program is written. Drive circuit, the feedback adjusting circuit, system protection circuit and

9、the commutation overlap circuit are designed around TMS320F2812 DSP chip. According to the designment, an experimental platform is built, and the experiments and tests are implemented. The experimental results show that the switches of inverter are ZVS on, the switches of cycloconverter are ZCS off.

10、 the experiment and simulation results proved the method in this paper is valid and feasible. Key words: Aeronautical Static Inverter(ASI); LCC load resonant;Soft switching45目录目录1绪论11.1航空静止变流器的发展现状及发展趋势11.1.1单级式DC/AC结构11.1.2两级式DC/DC-DC/AC结构11.1.3航空静止变流器的发展趋势21.2课题的研究意义及本文的研究内容22负载谐振型航空静止变流器的结构与控制方式4

11、2.1主电路拓扑分析42.2主电路控制方式52.3稳态工作原理72.4LCC负载谐振电路特性分析92.4.1负载谐振电路拓扑分析92.4.2LCC型谐振电路稳态分析122.4.3LCC型谐振电路输出电压特性分析142.4.4LCC谐振变换器参数选择162.5本章小结163系统硬件电路设计173.1主电路参数设计173.1.1功率器件参数选择173.1.2高频变压器的设计183.1.3LCC谐振变换器参数选择213.1.4输出滤波器的选择213.2驱动电路设计223.3外围控制电路设计223.3.1过零检测电路223.3.2电压电流调理电路233.3.3过压过流保护电路233.3.4换流重叠电路

12、243.4本章小结254系统软件设计264.1脉冲信号的产生264.2系统控制流程图284.2.1主程序流程图284.2.2中断程序流程图294.2.3PI算法流程图304.3 本章小节305系统仿真及实验结果315.1系统仿真结果315.2系统实验结果345.3本章小结396全文总结与展望40致谢41参考文献42在校期间所发表论文45绪论1 绪论飞机主电源的发展经历了低压直流电源、混合电源（低压直流和变频交流）、恒速恒频交流电源和高压直流电源的发展历程【】【】。高压直流电源系统主要由主电源、应急电源、辅助电源、二次电源组成。主电源是飞机上所有用电负载的总能源，是从航空发动机的驱动的无刷直流发

13、电机所得到的。应急电源为独立的电源系统，当主电源不能够提供足够大功率（或者主电源供电系统彻底失效）时候，向飞机上重要的用电设备进行供电。辅助电源则是由飞机上辅助动力装置的驱动的无刷直流发电机所得到。航空高能蓄电池常常被作为应急电源使用。二次电源是用于将飞机主电源提供的电能转变为另一种或者是多种形式的电能，从而向飞机上各种用电设备去供电。航空静止变流器ASI（Aeronautical Static Inverter）是飞机电源系统的二次电源。一种是把270VDC变换为28.5VDC的直流变换器；另一种是把270VDC变换为115V/400Hz（或其它频率）交流电的变流器。ASI是飞机供电系统中的

14、一个重要组成部分,对保证可靠地向设备提供所需的多种形式的电能、保证供应重要用电设备的电能具有重要意义。1.1 航空静止变流器的发展现状及发展趋势1.1.1 单级式DC/AC结构单级式DC/AC结构：主要由高频逆变器、周波变换器、以及输入、输出滤波器构成。通常需要在逆变器输出端加输出变压器，一是实现输入输出端的电气隔离，二是将输出电压转变到系统要求的电压。基本结构如图1-1所示【】【】。单级式航空静止变流器具有以下特点：(1)结构简单,可靠性高。整个主电路功率开关管变少，无输出滤波电感,整流管与高频调制管共用。(2)只经一级功率变换,且工作过程中任一时间段仅有一个功率管处于高频开关状态,所以开关

15、损耗小【】 。(3)单级式逆变器实现了功率双向流动，负载可以向电源回馈能量【】。图1-1 单级式电压源高频交流逆变器Fig.1-1 Basic structure of single-state voltage source high-frequency AC link inverter1.1.2 两级式DC/DC-DC/AC结构两级式DC/DC-DC/AC结构：主要由输入滤波器，逆变器、高频变压器、整流器、PWM型逆变器、和输出滤波器几部分组成。前置级为DC/AC变换器，首先将输入的直流电压转变为平滑直流电压，以供后置级所使用，再经后置逆变级转变成为交流电压。基本结构如图1-2所示。此类逆变

16、器输出电压纹波小、技术发展较为成熟，从而被广泛的应用，但存在一些缺点：(1)开关管数量多，使得硬件成本增加，系统可靠性降低。(2)两级功率变换(DC-DC-LFAC)使得系统复杂、变换效率降低。(3)尤其当开关频率较高时，器件的总体开关损耗变大，EMI严重【】。(4)它的前级DC/DC环节在空载、容性负载、甚至轻载时，输出正弦电压波形畸变严重，仅在恒定阻性重负载时输出波形较好【】【】【】。图1-2 两级式单向电压源高频环节逆变器电路结构Fig.1-2 Basic structure of two-state voltage source high-frequency link inverter

17、1.1.3 航空静止变流器的发展趋势美国早在七十年代末就开始了这方面的研究，他们的研究处于比较高的水平。工艺方面向着二次集成、表面安装等方向去发展。控制方面的发展正迈向多环控制、数字控制等，同时采用了软开关技术。如美国Sundstrand公司、Alliedsignal公司、KGS公司研制出的新一代ASI，在使用MOS功率器件的基础上，再应用电流控制、二次集成、表面安装、高频化等一系列技术，实现高效率模块式的电源结构和高功率密度的同时，使其体积小、重量轻，且可靠性高【2】。总之，ASI向着高功率和高变换效率，高可靠性且高电磁兼容性等方面蓬勃发展【9】。随着越来越多的使用微处理器，数字化控制应运而

18、生，具有控制简单而灵活、且输出性能稳定的特点。于是静止变流器研究的新热点之一成为在数字化控制的基础上引入各种先进的控制策略。1.2 课题的研究意义及本文的研究内容航空静止变流器是飞机上不可缺少的设备，随着航空事业的发展，对其要求随之提高。ASI的基本技术要求包括使用要求及电能的质量要求两方面。使用要求主要包括：体积小，重量轻，使用维护维修方便，工作可靠，价格经济。电能质量方面要求：系统输出频率及输出电压值稳定，负载突变时电压恢复快，输出正弦波形失真度小，效率高，电磁兼容性好【】。传统航空静止变流器的高频全桥逆变器输出方波电压：(1)方波电压信号对周围环境的辐射较大；(2)方波电压信号含有较多谐

19、波，大量谐波经过高频变压器进行电压变换和隔离作用时会增大对变压器的损耗，缩减了变压器的寿命；(3)产生较大的电磁干扰。本课题主要研究单级式负载谐振型航空静止变流器，在传统的单级式DC/AC结构中加入负载谐振变换电路。这样使得逆变器输出方波电压信号经过谐振电路后输出交流正弦电压，正弦电压信号对周围环境的辐射小，同时减少对变压器的损耗，从而大大延长变压器的寿命，也使得整个系统具有了良好的电磁兼容性。本文运用双极性双调制波控制，通过对移相SPWM调节方式的过程进行分析，在理论分析的基础上，用仿真验证其可行性，并搭建基于TMS320F2812 DSP控制系统，最终输出频率为400Hz的正弦波。本课题的

20、主要任务如下：(1) 分析航空静止变流器常用拓扑及控制方法及其主电路的工作原理、电路特性，结合航空静止变流器的各项要求，确定主电路拓扑结构。(2) 建立仿真模型，对系统进行仿真分析。针对课题的要求，通过多组参数的仿真分析对比，了解负载谐振在航空静止变流器的的意义。(3) 基于对系统的稳态分析，通过仿真研究分析结合系统设计指标确定系统参数设计方案，从而设计整个系统内参数；(4) 设计基于TMS320F2812 DSP控制的航空静止变流器的电源，完成系统的主电路、驱动电路、控制电路的搭建及软件程序的编写与调试等。(5) 搭建硬件系统，完成对设计方案的实验验证，并对实验结果进行分析。负载谐振型航空静

21、止变流器的结构与控制方式2 负载谐振型航空静止变流器的结构与控制方式目前常用的主电路拓扑结构有全桥全波式和全桥桥式，相对全桥桥式结构，全桥全波式结构的开关管较少；全桥桥式电路适用于大功率输出场合，全桥全波式电路适用于中小功率场合。本文系统的设计要求为输出电压115V/400Hz，功率500W，属于中小功率输出，故本文选用全桥全波式结构作为系统的主电路，该电路的特性能够满足功率器件电压应力、负载电压电流及功率等方面的要求。为改善传统航空静止变流器的高频全桥逆变器输出方波电压带来对环境，变压器的影响，在全桥全波式结构中加入负载谐振变换电路，使逆变器输出方波电压信号经过谐振电路后输出交流正弦电压。L

22、CC型负载谐振电路是最常用的三阶负载谐振电路之一，它结合了PRC和SRC的双重优点而摈弃了某些缺点，具有良好的电压电流变换特性，带载能力强，从而得到更多的研究和重视。本课题主要研究基于LCC型谐振变换器的单级式航空静止变流器。2.1 主电路拓扑分析单级式静止变流器主电路拓扑结构如图2-1所示，主要由全桥逆变器、LCC型串并联谐振变换器、高频变压器、周波变换器以及输出LC滤波器组成。其中全桥逆变器采用固定占空比控制方式，全桥逆变电路由4个功率开关管组成。其中，开关管S1、S2所在的桥臂称为超前桥臂，开关管S3、S4所在的桥臂称为滞后桥臂，D1-D4分别是开关管S1-S4的内部寄生二极管。四个开关

23、管S1、S2、S3、S4的导通占空比均为50%，其中每个桥臂的两个开关管为互补导通方式。图2-1 主电路拓扑结构图Fig.2-1 The main circuit topology串联型谐振电路与并联型谐振电路共同构成LCC型串并联谐振变换器。其中，Lr是谐振电感，Cs为串联的谐振电容，Cp是并联的谐振电容。LCC型串并联谐振变换器结合了串联型谐振电路和并联型谐振电路的优点，并克服了它们的缺点。选取周波变换器作为主电路拓扑的后置级，并针对周波变换器的特点，相应地提出了的移相SPWM软开关技术。该技术既能使开关管在零电压条件下开通，减少了开关损耗，同时又能精确产生高频SPWM脉冲，较好地结合了软

24、开关技术和SPWM技术。本文中，移相SPWM软开关的特点如下：(1)开关驱动信号频率恒定，且占空比是恒定的；(2)周波变换器中开关管导通的脉冲宽度按正弦规律变化，形成标准的高频SPWM脉冲后经过输出滤波器进行滤波作用；(3)周波变换器输出的交流电压幅值大小由SPWM波的调制比来决定【】【】。在本文的LCC谐振型单级式航空静止变流器拓扑中，前面全桥式逆变电路，功率开关管承受的最大电压应力为Ui，适用于高压输入变换场合；后面的全波式周波变换器电路中，以输出滤波电感电流iLf大于零时为例，此时周波变换器中只有开关管S5、S7及其反并联二极管D5、D7工作，并且两个开关管中至少有一个导通。可知，相比较

25、全桥桥式电路功率开关数少了一半，减小了系统的占用空间和开关损耗，但周波变换器的功率开关管承受的电压应力比较高，适用于中低压输出变换场合。在主电路拓扑中，输入直流电压Ui通过高频逆变器进行逆变，输出高频交流脉冲信号，经过LCC谐振变换器将高频交流脉冲信号变成高频正弦电压波，即高频变压器原边为高频正弦交流电压，通过高频变压器进行电气隔离以及电压变化，副边输出与变压器原边同频同相的正弦交流电压。周波变换器对副边电压进行解调输出SPWM波，最后经过LC滤波输出中频正弦电压。2.2 主电路控制方式基于DSP的谐振型航空静止变流器系统主要由主电路、控制电路和保护电路等组成。输入270V直流电压，经过高频全

26、桥逆变器转换成交流方波电压信号，再通过LCC串并联负载谐振变换器后成为交流正弦电压信号，用高频变压器进行电气隔离后，接入周波变换器采用移相SPWM控制方式，转换成双极性正弦脉宽调制信号，最后经过LC滤波电路后输出400Hz的中频正弦波电压。针对全桥全波式、全桥桥式等常用的双向电压型单级式航空静止变流器电路，目前较常用的控制策略有两种，由高频变压器传输波形的不同而主要分为单极性移相控制及双极性移相控制。通过控制开关管驱动信号间的相位，对静止变流器电源系统的输出电压和电路的功率流向进行调节；此外，移相控制实现了周波变换器开关管的自然换流，解决了电压过冲问题【】。单极性移相控制是指高频逆变器采用移相

27、控制【】，该方法实现了周波变换器开关管的ZVS开关；由于滤波前电压为单极性SPWM波，具有较好的频谱特性，减小了滤波器体积和重量【】。但是随着逆变器输出电压电流极性的改变，不能保证在各种情况下全桥逆变器开关管都能实现零压导通【】。双极性移相控制是指周波变换器采用移相控制【】，该控制方式使滤波电感电流在换流重叠期间实现了自然换流，并且解决了周波变换器开关管在共态导通时的环流问题【】。但双极性移相控制采用单边双锯齿波作为载波，电压调节器的输出与两个不同载波分别交截，控制信号还需经过二分频，载波方案通常使用模拟控制实现，控制策略较复杂【】。本文采用双极性双调制波控制方式对航空静止变流器电源系统进行控

28、制。双极性双调制波控制的原理图如图2-2所示。其中Ur为400Hz交流电压的参考信号，Um为其反值信号，Uc为参考的三角载波信号。此处，双极性是指高频逆变器采用双极性控制，并且周波变换器输出为双极性的SPWM波。图2-2 双极性双调制波控制原理Fig.2-2 Bipolar double modulation wave control principle在双极性双调制波控制方式中【】，高频逆变器可视为矩形波逆变器，开关管S1和S4或S2和S3轮流同时开通和关断。为了防止高频逆变器同一桥臂的开关管发生直通，开关管S1和S2、S3和S4的驱动信号需留有死区时间。周波变换器采用移相SPWM控制方式，

29、移相角随正弦规律变化，其互补导通的两个开关管之间不应存在死区时间，否则高频变压器绕组和滤波电感在死区期间处于开路状态，此时电感电流断续，高频变压器副边的感应电势较高并产生电压过冲，危害功率开关管【】。故为了保证周波变换器的开关管换流时滤波电感电流连续，互补导通的两个开关管S5和S7、S6和S8的驱动信号间应有共态导通时间。周波变换器开关管流过的电流为滤波电感电流，为了防止周波变换器开关管在换流时电路产生环流，周波变换器中各开关管的通断情况与滤波电感电流的极性是一致的。当开关管S5和S7导通时，开关管S6和S8关断，其反并二极管工作，滤波电感电流iLf的极性为正；反之，当开关管S6和S8导通时，

30、S5和S7关断，其反并二极管工作，iLf的极性为负。在该控制方法中，高频变压器传递的是占空比恒为0.5的交流方波，高频交流方波再经过周波变换器进行解调输出双极性的SPWM波，经LC滤波后，输出正弦波【17】。双极性双调制波控制方式可以实现任意负载条件下，高频逆变器开关管的ZVS开通及周波变换器开关管的ZCS关断。并且该控制方式将三角波作为载波，调节器输出反馈正弦波及其反值作为调制波，载波方案更容易通过数字控制实现【】。2.3 稳态工作原理本文以LCC谐振型单级式航空静止变流器为住电路拓扑，针对全桥全波式周波变换器，采用双极性双调制波控制策略，对系统的稳态特性进行研究。在分析电路稳态原理前作如下

31、假设：(1)主电路所有的功率开关器件参数一致，均为理想器件，高频逆变器功率管的寄生电容一样；(2)所有电感电容均为理想元件，隔直电容阻抗为零；(3)变压器原副边漏感相等，即Lr1 = Lr2 = Lr3 ；(4)输出滤波电感电流方向在一个开关周期内保持不变，与负载电流方向一致。以输出滤波电感电流iLf大于零时，一个高频开关周期内的主电路的稳态工作状态为例，原理如图2-3所示，图2-3 iLf 0时电路稳态工作原理Fig.2-3 Circuit steady principle when ilf 0(1) t1 - t2时段，S1、S4处于导通状态，S2、S3处于关断状态，当S1、S4关断后，开

32、关管S1、S4上并联电容C1、C4保持电荷，iAB经C1、C2、C3、C4流通，C1、C4充电、C2、C3放电。S2、S3的漏源电压下降。滤波电感电流iLf 经S7、D8流通，在D2、D3开通续流之前变压器漏感能量和交流侧能量可经二极管D1、D4回馈到直流侧。(2) t2 - t3时段，在换流重叠期间，iLf 经S5、D6和S7、D8两路流通，iC快速增长、iD快速下降，不考虑滤波电感电流脉动，iC增加量等于iD下降量，但是总有iD iC ，变压器原边电流经二极管D2、D3流通。(3) t3 - t4时段，由于反并二级管的箝位作用，S2、S3 为ZVS开通，期间电流iC等于iD。(4) t4

33、- t5时段，在t4时刻，iD下降到零，S5和S7间软换流结束。iLf 经S5、D6流通，能量从直流侧传递到交流侧。(5) t5 - t6时段，在t5时刻，iD已经为零，故S7 为ZCS关断，S7关断时S5已经导通。(6) t6 - t7时段，变压器原边电压由正逐渐减小到零再到负压，开关管导通不变，所以周波变换器输出电压也由正减小到零再到负压。(7) t7 - t8时段，开关管导通不变，S2、S3继续维持导通状态，变压器原边为负压，原边电流可经过二极管D2、D3流通，iLf 经S5、D6流通。能量从交流侧回馈到直流侧。(8) t8 - t9时段，t9时刻，iLf 经S5、D6和S7、D8两路流

34、通，iD快速增长、iC快速下降，但总有iD 3时，输出电压基本上不随着Q值变化，但电压转换比M3、K4或者Cp/Cs4条件下，该电路具有较好的负载特性及输出自然稳压特性，因此通过开环控制便可以满足稳压要求。但是，当谐振电路输出电压为升压特性时，负载特性较差，随着负载变化，输出电压剧烈变化，因此必须考虑最大负载和最小负载情况，以及采用快速响应的闭环控制。2.4.4 LCC谐振变换器参数选择根据前面对LCC谐振电路的特性分析，下面给出谐振电路中谐振电感及谐振电容的参数设计具体方法。首先要确定LCC谐振电路的谐振频率fr及fn。本文中，输入直流电压经过高频逆变器后，接入谐振变换器的输入方波电压频率为

35、40kHz，根据图2-12中fn与谐振电路电压转换比M的关系，这里选择fn为1.3。同时根据系统的设计要求，确定谐振电路电压转换比M为0.7。其次变压器的变比K已经确定，K=N1/N2=38/34=1.12。由图2-13中可以看出K与电压转换比M的关系，完全可以满足谐振电路电压转换比的要求。在选取Q值时，为了使电压转换比M不在Q有小的改变时有很大的幅值变化，尽量在曲线中坡度缓和的范围中取值。根据前面的分析，这里选取Q=0.5，由Q=Lrr/R就可以计算出Lr的值。最后根据图2-14及分析，结合已经确定的fn、K及Q的值，选择Cp/Cs的值为1.6。根据式（2-1）及（2-2）即可具体确定Cp和

36、Cs的值。根据以上设计步骤，最后确定得到的一组LCC谐振电路的参数为：Lr=66H，Cp=1F，Cs=0.67F。2.5 本章小结本章主要分析了负载谐振型航空静止变流器的主电路拓扑及其控制方式，并研究了双极性双调制波的基本原理和在双极性双调制波控制方式下谐振型航空静止变流器的稳态工作原理。介绍了谐振变换器的几种基本拓扑电路，并着重分析了LCC型谐振变换器的稳态分析方法，在采用理想元器件条件下对LCC谐振变换器的输出电压特性进行分析，利用MATLAB软件研究输入输出电压转换比与几个重要参数之间的关系，给出了图示结果并进行了分析。系统硬件电路设计3 系统硬件电路设计本文中航空静止变流器开关电源系统

37、的控制结构图如图3-1所示：图3-1 系统控制结构图Fig.3-1 Structure diagram of control system3.1 主电路参数设计航空静止变流器开关电源系统由直流输入电压进行供电，主要由主电路、驱动电路及控制电路组成，利用TMS320F2812 DSP为核心芯片进行总体控制，本文按照如下参数对航空静止变流器电源系统主电路参数进行设计：输入电源：直流输入电压270V；系统输出电压：115V/400Hz；输出功率：500W；开关频率：40kHz。3.1.1 功率器件参数选择a全桥逆变环节功率器件选择本文即选用IGBT作为逆变电路的功率器件。功率器件承受的正向电压为输入的270V直流电压，留有2-3倍的安全裕量。逆变器功率器件的额定电压为： (3.1)开关电源系统在输出最大功率时，逆变器输出电流达到最大，其有效值为： (3.2)则逆变器输出电流的最大值为： (3.3)b周波变换器环节功率器件选择输入电压直流270V经过全桥逆变器后输出270V的交流方波电压，再通过LCC谐振变换器，本文中高频变压器原边的正弦波电压为270V。留有2-3倍的安全裕量后，周波变换器功率器件的额定电压为： (3.4)当输出最大功率时，输出电流的最大有效值为： (3.5)输出电流最大值为： (3.6)根据以上计算，考虑器件