高频链技术的发展与应用

目前,DC／AC逆变电源已经在很多领域得到了十分广泛的应用,而且在新能源,如太阳能电池、燃料电池等的DC／AC变换中也得到了广泛应用。传统的低频逆变技术,采用的是工频变压器,具有体积大、重量大、音频噪声大等缺点。为了克服这些缺点,Mr. Espelage于1977年提出了高频链逆变技术的新概念,利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离,减小了变压器的体积和重量,该系统由一个并联逆变器和12个晶闸管组成的周波变换器构成,具有简单的自适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作能力等优点,但受当时半导体器件的限制,谐振储能电路工作频率局限在2~4kH。范围,未完全体现高频链逆变技术的优越性。近年来,随着功率半导体器件的发展,高频链技术引起人们越来越多的兴趣。
高频链逆变技术用高频变压器替代了低频逆变技术中的工频变压器,克服了低频逆变技术的缺点,显著提高了逆变器的符性。高频链逆变技术按功率的传输方向可分为单向型和双向型,按功率变换器的类型町分为电压源型和电流源型。

1 高频链逆变器简介
传统的低频逆变电路结构如图1所示。在把直流逆变成各种工作频率的交流这一科研领域中,国内外许多的专家和学者都进行了大量的深入研究,以期去掉低频变压器,从而达到简化结构、减小体积和重量,提高效率等目的。

单向高频链逆变电路结构如图2所示,两次使用了逆变器,一次是通过逆变获得高频,以便利用高频变压器进行变压和隔离,再经高频整流得到所需电压等级的直流,第二次是为了获得低频正弦交流电压,具有单向功率流、三级功率变换(DC一HFAC—DC—LFAC)、输出电压纹波小、技术成熟、应用广泛等优点,但是环节多增加厂功率损耗,而且随着开关频率的升高,采用传统PWM技术方案时存在过大的功率器件损耗和严重的电磁干扰问题。

为了提高高频逆变电路的效率,以期直接利用高频变压器同时完成变压、隔离、SPWM逆变的任务,因此提出了双向高频链逆变技术,如图3所示。由于少用了一级功率逆变器,从而达到简化结构、减小体积和重量、提高效率的目的,为实现电力电子没备的高频、高效、高功率密度创造了条件。

2 双向电压源高频链逆变器
双向电压源高频链逆变拓扑族如图4所示,从输入侧逆变级看,推挽式电路适用于低压输入变换场合;半桥和全桥电路适用于高压输入场合。从输出侧周波变换级看,全波式电路功率开关电压应力高,功率开关数少,变压器绕组利用率低,适用于低压输出变换场合;全桥式电路功率开关电压应力低,功率开关数多,变压器绕组的利用率高,适用于高压输出场合。

双向电压源高频链逆变器具有双向功率流,减少了功率变换级数的优点,但却存在一个固有的缺点,即采用传统PWM技术的输出周波变换器换流时阻断了高频变压器漏感中连续的能量,于是导致高频变压器和输出周波变换器之间出现电压过冲。因此,这类逆变器通常需要采用缓冲电路或有源电压箝位电路来吸收存储在漏感中的能量,从而增加了功率器件数和控制电路的复杂
性。同时还要保证高频变压器在低频交流信号的正负半周单极性往复工作中避免变压器磁芯饱和,确保低频交流信号被线性传递。
针对电压过冲问题,专家和学者们不断寻求更好的方法,提出了一些新的控制策略和技术,如换流重叠的单极性、双极性移相控制技术,它通过控制高频逆变器和周波变换器的相移来调节输出电压和功率流向,实现周波变换器功率管的自然换流,消除了电压尖峰;还有将串联谐振技术和双向电压源高频链逆变器相结合的技术。
针对磁芯饱和问题,提出了一些新的电路拓扑,现简单介绍两个改进的电路,如图5所示。图5(a)中变压器原边的两个正激变换器将高频单极性SPWM脉冲序列分成两组驱动脉冲,这两个正激变换器是由这两组SPWM驱动脉冲分别控制的,因此最大的工作占空比可以大于0.5,不存在磁芯饱和的问题,且具有较低的电压应力。而副边两个主开关管是由与输出频率相同的低频方波控
制的,因此控制简单,且易于实现软开关,能够降低开关损耗和减少噪声。同时副边还增加了两个能量反馈电路,因此给感性电流提供了通路,避免了电压过冲的发牛。图5(b)实质为共用一个变压器铁芯和副边的两个单端反激变换器,由它完成对低频电功率的变压、隔离、传递的任务,但由于当开关管接收控制信号脉冲列导通,在低频调制信号的正半周和负半周内,施加在变压器绕组上的是同一方向的电压,变乐器磁芯中的磁通可能将级进地逐渐增加,导致磁芯饱和,造成磁偏或单向磁化,导致低频电信号放大失真或由于很大的磁化电流而无法正常工作,因此提出了逐个脉冲磁复位技术,就是在每个高频脉冲之后及时采取措施．使每个高频脉冲引起的磁通增加都回复到零,从而避免磁芯饱和。