基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻鏈并聯(lián)逆變器的設(shè)計(jì)

李先祥，李益海，王憲生

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻鏈并聯(lián)逆變器的設(shè)計(jì)

李先祥1，李益海2，王憲生1

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528000；2.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和并聯(lián)控制技術(shù)是當(dāng)今逆變器技術(shù)發(fā)展的重要方向。針對(duì)逆變器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、無(wú)連線并聯(lián)技術(shù)展開(kāi)相應(yīng)研究，設(shè)計(jì)了基于DSP的高頻鏈逆變電源。所設(shè)計(jì)的高頻鏈逆變電源采用全橋全波式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路由全橋逆變部分、高頻變壓器、周波變換器以及輸入、輸出濾波部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了逆變器的零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)采用改進(jìn)的PQ算法實(shí)現(xiàn)了逆變器的并聯(lián)控制，從而有效的解決了基本PQ下垂法在非線性負(fù)載時(shí)均流效果差的缺陷。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟開(kāi)關(guān)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行、性能穩(wěn)定、可靠，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

高頻鏈；并聯(lián)逆變器；軟開(kāi)關(guān)

0 前言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和各種先進(jìn)的制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)供電電源的質(zhì)量和性能的要求越來(lái)越高。逆變器的并聯(lián)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)大容量供電和冗余供電，是現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的重要發(fā)展方向。利用高頻鏈技術(shù)，減小變壓器和電磁元件的體積、質(zhì)量，結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減小開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗，提高逆變器的工作效率，從根本上提高了逆變器可靠性，降低成本，提高功率密度，從而到達(dá)各種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)對(duì)供電電源可靠性和供電質(zhì)量的要求。

在此利用DSP設(shè)計(jì)了一種基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻鏈并聯(lián)逆變器。描述了高頻鏈并聯(lián)逆變器控制系統(tǒng)，對(duì)高頻鏈逆變器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，采用改進(jìn)的PQ法和基于電流分解的無(wú)連線并聯(lián)算法實(shí)現(xiàn)逆變器模塊間控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最大限度地實(shí)現(xiàn)了逆變器的軟開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)并聯(lián)算法達(dá)到了理想的并聯(lián)控制效果，具有良好的控制性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻鏈并聯(lián)逆變器系統(tǒng)框圖如圖1所示。主電路由整流電路、軟開(kāi)關(guān)逆變器、高頻變壓器、周波變換器、濾波電路五部分組成。整流電路將輸入交流電壓整流輸出直流電壓。軟開(kāi)關(guān)逆變器利用正弦脈寬調(diào)制方式對(duì)直流電壓進(jìn)行斬波，將直流電壓逆變輸出成20 kHz雙極性高頻脈沖信號(hào)序列；采用FB ZVZCS－PWM軟開(kāi)關(guān)變換器，滯后臂的開(kāi)關(guān)管IGBT3、IGBT4實(shí)現(xiàn)ZCS，超前臂開(kāi)關(guān)管IGBT1、IGBT2實(shí)現(xiàn)ZVS，從而提高了整個(gè)電路的效率。高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓的變換，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。周波變換器將雙極性高頻脈沖信號(hào)序列變換成單極性SPWM脈沖序列，即將50Hz正半周期的負(fù)脈沖翻轉(zhuǎn)成正脈沖，把50 Hz負(fù)半周期的正脈沖翻轉(zhuǎn)成負(fù)脈沖，得到50 Hz單極性SPWM波。濾波電路消除SPWM波高頻分量，得到高質(zhì)量的正弦波。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；外環(huán)是電壓環(huán)控制，改善輸出電壓的波形，使系統(tǒng)具有較高的輸出精度。并聯(lián)控制采用改進(jìn)的PQ算法，采樣電感電流和電容電壓，計(jì)算出有功功率P和無(wú)功功率Q，經(jīng)改進(jìn)的PQ算法調(diào)節(jié)后，得到參考電壓。參考電壓與采樣電壓比較后，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，得到參考電流。參考電流再與采樣電流比較，經(jīng)過(guò)比例放大后，與DSP產(chǎn)生的鋸齒波比較，產(chǎn)生各個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 高頻鏈逆變器零電壓零電流(ZVZCS)軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

本高頻鏈逆變器采用移相全橋ZVZCS逆變器結(jié)構(gòu)，能夠使逆變器滯后臂上的主開(kāi)關(guān)管(IGBT3、IGBT4)達(dá)到零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)，超前臂上的主開(kāi)關(guān)管(IGBT1、IGBT2)仍然處于零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。主電路中的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓波形的隔離和放大。各開(kāi)關(guān)模態(tài)的工作波形如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

(1)模態(tài) 1(t1～t2)。

在t1時(shí)刻，IGBT1和IGBT4導(dǎo)通，并讓IGBT5提前導(dǎo)通，輸出電壓為正，變壓器一次側(cè)向二次側(cè)傳遞能量。一次電流流經(jīng)IGBT1、Cb、高頻變壓器一次側(cè)和IGBT4。此時(shí)一次電流Ip一方面通過(guò)變壓器一次側(cè)將電能傳輸?shù)截?fù)載，另一方面給阻斷電容Cb充電，電容Cb電壓線性增加。t2時(shí)刻，阻斷電容上的電壓為

式中 UCbp為阻斷電容電壓UCb的峰值，n為變壓器變比，Io為輸出電流。

(2)模態(tài) 2(t2～t3)。

超前臂IGBT1于t2時(shí)刻關(guān)斷，一次電流Ip從IGBT1中轉(zhuǎn)移到 Cl、C2支路中。Cl充電，C2放電，電流方向不變，繼續(xù)給阻斷電容Cb充電。因?yàn)殡娙萆系碾妷翰荒芡蛔儯蚤_(kāi)關(guān)管IGBT1是零電壓關(guān)斷。C2電容上的電壓Uc2可以近似認(rèn)為在恒流作用下線性下降。即

在時(shí)刻t3，C2的電壓下降到零，IGBT2的反并二極管VD2導(dǎo)通。然后VD2和IGBT4形成環(huán)流，IGBT2零電壓開(kāi)通。

(3)模態(tài) 3(t3～t4)。

VD2導(dǎo)通后，IGBT2零電壓開(kāi)通，此時(shí)在IGBT2和IGBT4間形成環(huán)流，將電壓Uab箝位在零，變壓器停止傳輸功率。電流緩慢減小，濾波電感向負(fù)載釋放儲(chǔ)能。阻斷電容Cb上的電壓上升到Ucbp。由于Cb足夠大，因此在這個(gè)時(shí)間段其上的電壓Ucb＝Ucbp可近似看作不變。由于電壓Uab＝0，故阻斷電容電壓Ucb全部加在諧振電感上，

t4時(shí)刻，一次電流Ip衰減到零。

(4)模態(tài) 4(t4～t5)。

t4時(shí)刻后，一次電流Ip衰減到零后，飽和電感退出飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)出較大的電感量。在這個(gè)時(shí)間段，阻斷電容上的電壓保持不變，開(kāi)關(guān)管IGBT4仍然保持Ip導(dǎo)通，但是已經(jīng)沒(méi)有電流流過(guò)。由于一次電流為零，a點(diǎn)對(duì)地的電壓Ua為零，b點(diǎn)對(duì)地的電壓為Ub＝－Ucbp。t5時(shí)刻，IGBT4在零電流狀態(tài)下關(guān)斷。

(5)模態(tài) 5(t5～t6)。

阻斷電容上的電壓維持不變，主電路中的電流為零。由于變壓器一次側(cè)無(wú)電流流過(guò)，電路處于開(kāi)路狀態(tài)。這個(gè)時(shí)間段實(shí)際上是滯后臂開(kāi)關(guān)管狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的死區(qū)時(shí)間。在t6時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管IGBT3導(dǎo)通后，由于此時(shí)飽和電感尚未進(jìn)入飽和，一次電流Ip不可能突變，需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能迅速上升，因此IGBT3的導(dǎo)通為零電流導(dǎo)通。IGBT3導(dǎo)通后，在阻斷電容電壓和輸入電壓的共同作用下飽和電感很快又進(jìn)入飽和區(qū)。由于漏感很小，因此一次電流Ip在這兩個(gè)電壓的共同作用下迅速線性上升，即

(6)模態(tài) 6(t6～t7)。

變壓器一次電壓極性相反，電流Ip以負(fù)斜率下降。IGBT2、IGBT3導(dǎo)通后，一次電流瞬時(shí)仍保持為零，隨后一次電流增大，阻斷電容Cb上的電壓Ucb將由正向負(fù)逐漸減小，變壓器一次側(cè)向二次側(cè)傳遞能量，開(kāi)始下半個(gè)對(duì)稱周期。t7時(shí)刻，阻斷電容上的電壓為下一次IGBT3零電流關(guān)斷和IGBT4零電流開(kāi)通做準(zhǔn)備。t7時(shí)刻，IGBT2關(guān)斷，之后 C1放電，C1諧振放電到零，IGBT1實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

3 逆變器并聯(lián)控制算法的設(shè)計(jì)

高頻鏈逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在逆變器穩(wěn)定后的均流誤差越小越好，另外是動(dòng)態(tài)性能，如一臺(tái)新的逆變器并入或退出后各逆變器電流響應(yīng)、負(fù)載切換時(shí)各逆變器的電流響應(yīng)等。為了提高并聯(lián)逆變器的動(dòng)態(tài)性能,提高線性負(fù)載和非線性負(fù)載的均流效果，本系統(tǒng)在經(jīng)典PQ算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的PQ控制算法，其控制方程為

式中 ω 為頻率；U為電壓有效值；P為有功功率，Q 為無(wú)功功率；m、mp、md、n、nd為系數(shù)。

積分項(xiàng)的引入既改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)非線性負(fù)載也有一個(gè)好的均流效果。微分項(xiàng)的引入可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。改進(jìn)的PQ控制算法實(shí)現(xiàn)的方框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)PQ法實(shí)現(xiàn)方框圖

由上述分析可知，實(shí)現(xiàn)PQ算法需要計(jì)算各并聯(lián)模塊有功功率和無(wú)功功率。對(duì)于非線性負(fù)載，負(fù)載的電流是非線性函數(shù)，含有直流分量、有功電流分量、無(wú)功電流分量以及諧波分量，如式(3)所示。為了準(zhǔn)確計(jì)算各并聯(lián)模塊有功功率和無(wú)功功率，需要對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行分解

將式(3)進(jìn)一步變換得到式(4)。cos(ωt)就是與輸出電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

從式(4)可以看出，直流成分與有功電流的幅值Ip成正比，因此，可以使用一個(gè)低通濾波器(其頻率低于ω)來(lái)獲得有功電流的幅值Ip，將它乘以與電壓同相位的單位正弦，就可獲得瞬時(shí)有功電流的預(yù)測(cè)值ip(t)，從實(shí)測(cè)的負(fù)載電流中減去預(yù)測(cè)的有功電流ip(t)，就可得到需要的參考電流iF(t)。同理也可得到無(wú)功電流分量。電流分解示意如圖4所示。

圖4 電流分解示意

4 系統(tǒng)仿真分析

利用Pspice、Matlab軟件對(duì)軟開(kāi)關(guān)高頻鏈逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，兩臺(tái)逆變器并聯(lián)參數(shù)為：輸出電壓220 V，頻率50 Hz，輸出最大功率1 kVA。

圖5為超前橋臂IGBT1的零電壓開(kāi)關(guān)仿真波形。IGBT1和IGBT2都是超前臂，它們的工作狀態(tài)分析是相同的。從圖中可知，超前臂是零電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管C極和E極之間電壓為零。圖6為滯后臂IGBT3的零電流開(kāi)關(guān)仿真波形。滯后臂IGBT3和IGBT4的工作狀態(tài)分析是相同的。可以看出滯后橋臂實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管C極的電流為零。從上述分析可以看出，變壓器一次側(cè)加阻斷電容和飽和電感的全橋ZVZCS逆變器具有較高的軟開(kāi)關(guān)特性，超前臂開(kāi)關(guān)管為零電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)通損耗近似為零。滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，使開(kāi)通損耗幾乎為零。

圖5 超前臂電壓波形和驅(qū)動(dòng)波形

圖6 滯后臂電流波形和驅(qū)動(dòng)波形

圖7為兩逆變器同時(shí)工作后，其中一臺(tái)逆變器A退出，另一臺(tái)逆變器B繼續(xù)工作，然后逆變器A又重新加入工作的逆變器輸出電流波形。逆變器A和B的輸出電流分別為IA和IB。仿真實(shí)驗(yàn)波形說(shuō)明兩逆變器電流幅值基本相等,均流效果很好；當(dāng)逆變器切換時(shí)，輸出電流能較快地進(jìn)行調(diào)整，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻鏈并聯(lián)逆變器。逆變器采用了高頻鏈軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)和滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)。同時(shí)，整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雙向的功率流，雙高頻變壓器結(jié)構(gòu)，具有高頻電氣隔離的優(yōu)點(diǎn)。逆變器的并聯(lián)控制算法采用改進(jìn)的PQ算法，在經(jīng)典PQ算法的基礎(chǔ)上增加了微分和積分環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。系統(tǒng)采用高性能的DSP進(jìn)行檢測(cè)、控制，同時(shí)具有故障診斷、保護(hù)、報(bào)警等功能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最大限度地實(shí)現(xiàn)了逆變器的軟開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)并聯(lián)算法達(dá)到了理想的并聯(lián)控制效果，具有良好的控制性能。

圖7 并聯(lián)逆變器的電流波形

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High-frequency link parallel inverter based on soft-switch technology

LI Xian-xiang1，Li Yihai2，Wang Xian-sheng1
(1.School of Mechatronics and Information Engineering，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan 528000，China；2.School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Soft-switching technology and parallel control technique is considered an important development direction of today＇s inverter.This paper studies soft-switching technology，digital control technology and non-connected in parallel,developes high-frequency link inverter power source based on DSP.The inverter adopts full-wave full-bridge type topology.The main circuit is composed by the fullbridge inverter，high-frequency transformer，frequency converter and the input and output filter components.The full-bridge inverter achieves the zero-voltage zero-current soft-switching.The controller uses the modified PQ technology based on the current disintegration.So the inverter overcomes the limitation of bad current sharing in nonlinear load.The results of MATLAB and PAPICE simulation on the system show the system design has achieved an ideal parallel operation results and the waveform of simulation prove the parallel inverter has good performance.

high-frequency link；parallel inverter；soft switch

TG434.1

A

1001－2303(2011)03－0015－05

2010－02－09

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(06029437)

李先祥(1965—)，男，安徽懷寧人，教授，，主要從事電力電子傳動(dòng)方向的研究工作。