高频链技术的发展与应用

3 电流源高频链逆变器
基于Buck(Forward)变换器的单向、双向电压源高频链逆变器,虽然具有单向或双向功率流、变换效率高、输出容量大、输出电压纹波小等优点,但是,电压源高频链逆变器在负载过载甚至短路时,其功率开关电流的上升率将比正常工作时大得多,缩短了保护电路的动作时间。而基于Buck—Boost(Flvback)变换器的电流源高频链逆变器,其高频变压器不仅能实现电隔离和电压调整功能,而且能存储能量,因此,其储能式变压器的电感能够起到限流作用,在负载过载甚至短路时,其功率开关电流的上升率与正常工作时相同,为功率开关的保护电路赢得了足够的动作时间,其可靠性将比电压源高频链逆变器高。
电流源高频链逆变器拓扑族如图6所示。单管单向式电路由于只能单向传递功率、负载适应能力差,只适用与对输出电压波形要求不高的小功率阻性负载场合。单管双向式、推挽式电路能双向传递功率、负载适应能力强;推挽式又比单管双向式有更少的功率开关数和更小的一次侧功率开关电流应力,适用于低压输入的小功率逆变场合。半桥和全桥式电路也能双向传递功率、负载适应能力强,适用于高压输入的小功率逆变场合,但半桥式存在两个桥臂电容电压严重的不平衡现象。

双向电流源高频链逆变器解决了双向电压源高频链逆变器固有的电压过冲问题,而且与电压源高频链逆变器相比,具有更简洁的电路拓扑、更高的可靠性、控制方案简单、效率高以及动态响应良好等优点,因而在小功率场合具有良好的应用前景,但其输入电流、输出电压纹波大,仅适用于小功率场合,中大功率的逆变场合应优先选用电压源高频链逆变器。

4 直流变换器型高频链逆变技术
直流变换器型高频链逆变器由直流变换器和极性反转逆变桥构成,包括单向直流变换器型、双向直流变换器型和双向正反激组合直流变换器型等高频链逆变器电路结构,具有电路结构简洁、直流变换级工作在SPWM(输出电压调节范围宽)、极性反转逆变桥功率开关电压应力低且为ZVS、输出滤波器负载减轻等优点。逆变器类型由前置直流变换级类型决定,包括电压源和电流源两
类。双向直流变换器型高频链逆变框图如图7所示。

5 三相电压源型高频链逆变技术
现代逆变电源主要向如下几个方向发展,如高频功率变换、交流侧单位功率团数、低电磁干扰、体积小重量轻、双向功率流等。单相高频链技术已经得到了广泛的发展和应用,随着应用场合范围的扩大和对功率要求的提高,三相高频链技术也开始被重视并发展,主要是改进控制方法来降低功率损耗。
三相高频链典型的电路结构如图8所示,由电压源逆变器、高频变压器和周波变换器组成。逆变器输出高频电压,变压器将高频输入和输出进行隔离,周波变换器提供三相脉宽调制电压。逆变器是由4个ICBT和4个反并联二极管以单相桥方式组成,周波变换器是由6个双向开关管以三相桥方式组成。

为了获得正弦输出,专家和学者们提出了许多不同的方法,如正弦波脉冲幅度调制、由锯齿波做参考信号、积分环控制、空间矢量调制、差频调制等,同时还提出了混合调制的方法,这种方法是基于载波调制、空间矢量调制(SVM)和数字标量调制(DSM)之间的相关性而提出的。
周波变换器和三相逆变器的工作原理是相似的,只是三相逆变器的输入是一个直流电压,而周波变换器的输入是一个正负交替变换的方波电压,因此,当周波变换器的输入电压为正时,周波变换器的PWM信号和三相逆变器的PWM信号相同,而当输入电压为负时,周波变换器的PWM信号正好和三相逆变器的PWM信号相反,如图9所示,而且当三相逆变器的PWM信号和逆变器输出电压的极性同步时,周波变换器的开关频率最小。

为了降低周波变换器的开关损耗,也提出了许多方法和策略,如非谐振ZV5、电源换相(soure commutation)(即ZCS)和电压箝位及其它们的改进方法。
5.1 非谐振ZVS技术
图10中的虚线是图9中的PWM信号和逆变器输出电压信号,但只有在周波变换器输出的最大宽度电压内才要求逆变器必须输出电压,在半个开关周期内的其他时间逆变器的输出都为O,因此,周波变换器PWM信号的边界可以移到逆变器输出为0的区域,如图10所示,开关器件都是在零电压期间进行开通和关断。
图11为空间矢量图,它是由6个向量(V1~V6)和两个零向量(V0和V7)构成的,分成6个区间。图12是当周波变换器输入电压为(a)时,传统PWM(b)和非谐振ZVS PWM(c)两种模式在区域V中的波形图。由于上述非谐振ZVS只能在从一个开关周期到另一个开关周期变换时实现软开关,因此义提出了一种新的控制方案,不仅在周期变换时而且在周期内都能实现软开关。表1列出了3种PWM模式的比较。

5.2 电源换相技术
利用逆变器的输出电压进行换相,短路电流的方向和负载电流的方向相反,如图13所示。如果负载电流为正,导通开关从SUPP到SUNP变化,如果延时SUPP的关断信号,由逆变器输出电压产生的短路电流将会减小SUPP中的电流,当短路电流等于负载电流时,就完成了换相,而没有开关损耗,也因此这种技术又称为ZCS技术。