高频链逆变核心技术发展综述.docx

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高频链逆变核心技术发展综述

高频链逆变技术发展综述

1引言

   随着高频链逆变技术不断发展，它应用范畴日益广泛。

一方面，电信、航空航天、军事等领域，经常规定供电装置重量轻、体积小、功率密度大和可靠性高；另一方面，随着石油、煤和天然气等矿产能源不断消耗以及环境污染等问题，使用蓄电池、太阳能电池等作为能源混合型电动汽车驱动系统日益成为研究热点，效率和体积是它首要考虑因素；此外，在建筑行业，经常使用振动棒进行均匀混合浇注混凝土，这也规定振动棒供电装置体积小、重量轻、使用安全和可靠性高等；以及UPS技术日益兴起和广泛应用……。

考虑到以上各种供电装置和负载之间都要解决安全与匹配问题，因而经常需要加隔离变压器。

针对上述规定，需要研究具备隔离变压器逆变器电路拓扑。

高频链逆变技术正是在这种状况下蓬勃发展起来。

   所谓高频链逆变技术就是采用高频脉冲变压器代替低频变压器传播能量，并实现变流装置一、二次侧电源之间电气隔离。

从不同角度看高频链逆变器，可以有不同划分形式。

按负载相数可分为单相和三相；按功率流动方向可分为双向和单向两种形式；按电路工作机理分为PWM方式和谐振方式两种类型；按功率变换器类型可分为电压源（Voltagemode或Buckmode）和电流源（Currentmode或Buckboostmode）两种；按电路拓扑构造又可分为AC/AC变换型、DC/DC变换型（DC/HFAC/DC/LFAC）和周波变流型（Cycloconvertertype）。

下面以最后一种划分办法分别进行讨论。

2高频链逆变技术分类

2.1AC/AC变换型

2.1.1工频变压器隔离型

   1973年，由Bedford一方面提出高频链（HFlink）转换器思想[1]，接着由Gyugui和Pelly进行了进一步发展。

如图1所示，输入侧和输出侧都采用工频变压器隔离，由LC并联谐振网络为周波变换器提供自然换相点，可以实现AC/AC或者DC/AC功能，并且功率可以双向流动，以及功率因数任意调节。

这种变换型式存在如下重要缺陷：

   1）采用工频变压器，体积大、笨重；

   2）具备音频噪音；

   3）输入电压和负载波动时，系统响应速度慢。

2.1.2高频变压器隔离型

   Sood和Lipo用实验验证了在谐振转换器中使用双向GTO实现高频链电源分布系统可行性[2]，如图2所示。

这种变换型式重要长处是

   1）采用高频变压器，体积小，重量轻；

   2）谐振软开关有助于减少开关损耗、提高效率。

   重要缺陷是

   1）开关器件耐流能力和耐压能力大；

   2）采用双向开关，开关数目多，成本较高；

   3）采用PDM控制方式，需要严格同步关系。

2.2DC/DC变换型

   这种类型高频链逆变器是当前应用最广泛单向功率流动电压源高频链逆变器方案[3][4][5][6]，它典型电路如图3所示。

该拓扑是在直流侧和逆变器之间插入一级DC/DC变换器，使用高频变压器实现电压调节和电气隔离。

很明显，它具备三级功率变换过程：

DC/HFAC/DC/LFAC。

这种变换型式重要长处是

   1）所有开关都是单向；

   2）DC/DC某些和DC/AC某些控制相对独立，两某些配合起来比较简朴，基本上不需要同步。

   重要缺陷是

   1）功率单向流动；

   2）通态损耗大；

   3）由于功率级较多，导致可靠性减少。

2.2.1单端正激式高频链逆变器

   如图4所示，前级某些由DC/DC正激电路及磁复位电路构成，采用PWM控制技术实现调压，后级某些由吸取电路、LC谐振电路和单相逆变器构成，采用PDM控制技术实现ZVS开关条件，以便减小开关损耗[7]。

2.2.2桥式高频链逆变器[8][9]

   1）控制方案1如图5所示，其主电路涉及直流电压—PWM高频逆变—高频变压器—快恢复二极管整流—大电容滤波—SPWM逆变器—单相50Hz正弦波输出。

   2）控制方案2如图6所示，其主电路涉及直流电压—SPWM逆变—高频变压器—（具备正弦包络线正弦调制高频交流电）—快恢复二极管整流—小电容滤波—工频电压全波整流—50Hz方波驱动—50Hz正弦波输出。

   由图5和图6可见，两种控制方案主电路构造基本相似，但控制办法有所不同。

在方案1中先后两某些电路不需要同步，互相独立，但开关损耗大。

而在方案2中，50Hz方波驱动时相称于ZVS条件，开关损耗小，但规定严格同步。

此外，由方案2可以实现三相输出负载，但是需要三套相似单相电路，构造较复杂，并且相位需要严格同步。

2.3周波变流型

   它是当前实现双向功率传播惯用方案。

该拓扑构造普通由一种逆变器和一种周波变流器级联而成，如图7所示，从而省去了DC/DC变换型高频链逆变器中直流环节，因而只需要二级功率变换（DC/HFAC/LFAC），减小了逆变器通态损耗，提高了系统效率和可靠性。

2.3.1硬开关PWM控制方式

   如图8所示[10]，其三相输出采用周波变流器形式将高频电压变换成三相工频电压，重要用于中小容量UPS。

采用周波变换器直接将高频交流变换成工频交流，与通过直流变换相比较，具备下列特点：

   1）电力变换级数少，可以提高效率；

   2）高频某些后级不需要直流电容器，系统总体成本低，构造简朴；

   3）硬开关PWM控制；

   4）当高频变压器次级侧开路时，由于变压器漏感储能无放电回路而产生较大电压尖峰。

   为理解决图8电路存在问题，在文献[11]中，周波变换器开关控制是与一次侧高频逆变器同步且在零电压条件下进行，同步提出了在一种采样周期内输出各种电压矢量脉冲分派办法。

文献[12]针对变压器漏感引起副边电压过冲问题，采用换相重叠办法进行抑制，并获得了ZCS效果。

2.3.2LC谐振方式

   高频变压器原边某些采用2个功率开关及LC串联谐振方式，副边某些采用周波变换器形式[13]，如图9所示。

运用准零电流ZCS条件来减小开关损耗，同步采用实时反馈控制办法使输出电压为正弦波。

其重要特点是

   1）不需要检测HFlink电流过零时刻而实现准ZCS；

   2）容易实现输出电压实时控制；

   3）HFlink电流幅值随输出电流而变化。

2.3.3直流环节准谐振方式

   高频变压器前级某些采用直流环节准谐振逆变电路（简称QRDCLI），后级某些采用周波变换器形式[14]，如图10所示。

同步还提出了改进PDM控制方略和数字控制办法。

该系统不需要缓冲电路，并且可以工作于四个象限。

3发展趋势

   自从上世纪80年代以来，高频链逆变技术始终受到人们极大关注，刊登了大量有关文献。

当前存在高频链逆变器拓扑，普通有如下几种特点：

   1）DC/DC变换型需要三级功率变换，通态损耗高且控制复杂；

   2）周波变流型大量使用双向开关，增长了电路成本和损耗；

   3）电流换相时存在电压过冲问题；

   4）非纯电阻性负载时，续流困难；

   5）大某些电路针对CVCF系统设计，对于VVVF系统控制起来相对要复杂；

   在单相高频链逆变电路中，当前已经浮现了某些比较成熟方案，但三相高频链逆变电路还很不成熟，还需要继续进一步研究。

总体来讲，重要涉及三个方面：

   1）使用可关断器件和软开关技术，提高工作频率，以便达到装置小型化、低成本、无音频噪音，并且具备高可靠性、高效率；

   2）研究新组合式拓扑构造，分析复杂工作过程以及建立数学模型，解决当前高频链逆变器存在缺陷；

   3）研究各种控制方式，涉及PFM、SPWM、SVPWM、DPWM、PDM和差频控制等。

4结语

   高频链转换器是一种灵活多变拓扑构造，其共同特点是电路构造形式紧凑，功率密度和效率高，响应速度快。

此外，系统可以工作在20kHz以上，无音频噪音，滤波相对容易，并且功率可达kW级以上。

因而，无论在恒压恒频（CVCF）领域，还是在调频调压（VVVF）领域均有很大实用价值，它是将来继续研究发展一种重要课题。