靜止變流器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將主電源直流電變換成恒壓恒頻交流電的電氣裝置。對(duì)于交流用電負(fù)載與主直流電源共地的場(chǎng)合，靜止變流器輸出與輸入之間必須有變壓器電氣隔離。本文提出了新穎的高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種電路結(jié)構(gòu)，由具有高頻電氣隔離、吸收交流側(cè)回饋無(wú)功能量和輸出高頻脈沖波等多功能一體化軟開關(guān)PWMDC/DC變換器MISSC與DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積重量小、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。MISSC變換器不但實(shí)現(xiàn)了DC/DC變換器的軟開關(guān)，而且還為DC/AC逆變器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)創(chuàng)造了條件。
2電路拓?fù)?/p>
圖1所示靜止變流器電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新之處在于，提出了多功能一體化PWMDC/DC變換器新概念。多功能一體化PWMDC/DC變換器族主要有三個(gè)功能：①輸入輸出電氣隔離；②吸收DC/AC逆變器交流側(cè)回饋的無(wú)功能量；③輸出符合DC/AC逆變器要求的高頻脈沖電壓波udo，為逆變橋功率開關(guān)在udo過(guò)零時(shí)切換實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)創(chuàng)造了條件。
圖1新穎的高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路結(jié)構(gòu)
基于這一思想，在傳統(tǒng)的電氣隔離DC/DC變換器族中去除輸出LC濾波器，輸出端再加上逆變器交流側(cè)回饋無(wú)功能量吸收電路（由有源開關(guān)Sr和儲(chǔ)能電容Cr串聯(lián)構(gòu)成），便可獲得多功能一體化PWMDC/DC變換器。
考慮到輸入電壓Ui為低壓（27V或48V）且變化范圍寬，選定并聯(lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器作為前置級(jí)，其輸出高頻脈沖電壓波的占空比2D>0.5，輸入輸出波形頻率為開關(guān)頻率的二倍，同時(shí)又具備正激Forward變換器的優(yōu)點(diǎn)。圖2示出了這一新穎的電路拓?fù)洹?/p>
（a）原理圖(b)波形圖圖3電流瞬時(shí)值反饋DC/AC逆變器控制原理
圖4三態(tài)DPM電流滯環(huán)跟蹤控制原理
圖2高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路拓?fù)?/p>
圖2所示電路，Sc與Cc串聯(lián)接在高頻變壓器原邊繞組兩端，構(gòu)成正激變換器的有源箝位支路，為變壓器在功率開關(guān)S關(guān)斷后提供磁復(fù)位路徑，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)的電壓箝位和變壓器的雙向磁化，功率開關(guān)S、箝位開關(guān)Sc實(shí)現(xiàn)了ZVS開關(guān)。當(dāng)MISSC變換器輸出相同的高頻脈沖電壓波平均值
Udo.arg=N22DUi/N1(1)
時(shí)，占空比D增大，高頻脈沖電壓波幅值Ui·N2/N1便降低，從而降低了逆變橋四個(gè)功率開關(guān)S1、S2、S3、S4的電壓應(yīng)力。這正是選用并聯(lián)交錯(cuò)正激式多功能一體化PWMDC/DC變換器（占空比2D=0.5～0.9）作為前置級(jí)的根本原因。
3控制原理
3.1MISSC變換器控制原理
新穎的靜止變流器電路拓?fù)?，由并?lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，各自構(gòu)成閉環(huán)回路。這種電路拓?fù)淅^承了諧振直流環(huán)節(jié)逆變器RDCLI的思想。前級(jí)電路拓樸較復(fù)雜，且不存在輸出濾波器，不是完整的軟開關(guān)PWMDC/DC變換器，為后級(jí)提供平均值恒定的高頻脈沖電壓波，只能采用電壓型PWM控制技術(shù)（因?yàn)槠涮峁┑妮敵鲭娏鞔笮∈前凑誅C/AC逆變器所需的正弦規(guī)律分布的）；后級(jí)電路拓樸簡(jiǎn)潔，逆變橋功率器件可實(shí)現(xiàn)完全的ZVS開關(guān)。
3.2DC/AC逆變器控制原理
DC/AC逆變器采用電流瞬時(shí)值反饋技術(shù)的脈寬調(diào)制方案，如圖3所示。快速電流檢測(cè)元件將檢測(cè)到的濾波電感電流信號(hào)if送到滯環(huán)比較器同相輸入端，給定信號(hào)ig加在其反相輸入端。滯環(huán)比較器輸出通過(guò)邏輯延時(shí)、分相和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)控制逆變橋功率開關(guān)。
為了減小濾波電感電流iLf脈動(dòng)量，改善輸出電壓波形，應(yīng)該采用單極性調(diào)制而不用雙極性調(diào)制。本文研究的靜止變流器，DC/AC逆變橋采用三態(tài)離散脈沖調(diào)制DPM電流滯環(huán)跟蹤控制（Threestatesdiscretepulsemodulationhysteresiscurrentcontrol）的單極性調(diào)制瞬時(shí)值反饋技術(shù)，其控制原理如圖4所示。
(a)原理圖 (b)波形圖
圖3
圖4
在逆變橋輸入電壓udo=0時(shí)，檢測(cè)濾波電感電流iLf做為反饋電流if與給定電流ig相比較，根據(jù)二個(gè)電流瞬時(shí)值之差來(lái)決定，單相逆變橋四個(gè)功率開關(guān)在下一個(gè)高頻脈沖電壓波udo的導(dǎo)通情況，其控制規(guī)律為引入零狀態(tài)續(xù)流模式后，不但可以使電流跟蹤偏差減小，而且使逆變橋輸出電壓uAB波形中的＋1、－1、狀態(tài)間的跳變大為減小，甚至消除，從而使輸出脈動(dòng)減小。這也是單極性調(diào)制比雙極性調(diào)制優(yōu)越的主要原因。合理設(shè)計(jì)輸出濾波器參數(shù)和滯環(huán)寬度，可以實(shí)現(xiàn)逆變橋的單極性工作。如果在電流外環(huán)設(shè)置電壓閉環(huán)，則可獲得良好的輸出電壓、電流控制特性。
4幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論
(1)高頻脈沖輸出電壓波平均值udo，avg選取
DC/AC逆變器DPM控制時(shí)，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)一定的給定要求將逆變橋輸入的高頻脈沖電壓波udo組合成所需的低頻調(diào)制電壓波uAB，輸出濾波器只是用來(lái)濾除組合低頻調(diào)制電壓uAB中的高次諧波，不產(chǎn)生能量，只能暫存一定能量。在組合低頻調(diào)制電壓uAB中，輸出電壓低處脈沖稀疏、輸出電壓峰值處脈沖密集，如圖5所示。脈沖最密集處就是逆變橋輸入
圖5DPM脈沖組合波形
的高頻脈沖全部選送到輸出端，如圖5中t1～t2期間。t1～t2期間，為了確保輸出電壓THD小，應(yīng)滿足
Uom≤UAB，arg=Udo,arg
=Ui2DN2/N1(3)
式（2－3）可作為Udo,avg的設(shè)計(jì)依據(jù)。
(2)高頻脈沖輸出電壓波占空比2D的選取
相同Udo，avg時(shí)，若占空比2D過(guò)小，將導(dǎo)致調(diào)制電壓波形UAB稀疏且幅值大，濾波電感電流處于二極管續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)，加大了作為續(xù)流二級(jí)管用的功率MOSFET體內(nèi)寄生二級(jí)管的電流定額。同時(shí)DC/AC逆變橋應(yīng)采用耐壓更大的功率MOSFET器件，從而有更高的導(dǎo)通電阻和穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通損耗。因此，應(yīng)盡可能增大高頻脈沖輸出電壓波占空比2D。但最大占空比2Dmax受到高頻脈沖波頻率2fs的限制。若2fs、2D均很大，則高頻脈沖電壓波的零電壓時(shí)間短暫。過(guò)零檢測(cè)信號(hào)發(fā)出的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，存在波形傳輸延時(shí)時(shí)間和功率器件的開關(guān)時(shí)間，可能導(dǎo)致DC/AC逆變橋功率器件在udo非零電壓期間發(fā)生開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，未能實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)。為了保證功率器件可靠實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)，需要一定時(shí)間t0，則最大占空比應(yīng)滿足
2Dmax≤1－t02fs(4)
(3)高頻脈沖輸出電壓波udo過(guò)零檢測(cè)與控制
高頻脈沖輸出電壓波udo過(guò)零檢測(cè)與控制，是DC/AC逆變橋功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS的關(guān)鍵所在。由于udo與MISSC變換器二個(gè)功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，因此只要將二個(gè)功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)uGS1、uGS2“或”在一起，經(jīng)反相并由脈沖前沿延時(shí)電路延時(shí)、整形，便得到了過(guò)零檢測(cè)信號(hào)uP，各信號(hào)相位關(guān)系如圖6所示。只要延遲時(shí)間τ合理，即可保證DC/AC逆變橋功率器件在udo=0期間開關(guān)。由此可見(jiàn)，利用udo與功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以適當(dāng)變換，并考慮驅(qū)動(dòng)電路傳輸延遲時(shí)間，獲得過(guò)零信號(hào)，是一種簡(jiǎn)潔實(shí)用的方法。
圖6幾個(gè)信號(hào)之間的相位關(guān)系
5試驗(yàn)結(jié)果
1kVA高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器占空比2D=0.75時(shí)，原理試驗(yàn)波形如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在DC/AC逆變橋交流側(cè)沒(méi)有無(wú)功能量回饋期間，前置級(jí)MISSC變換器輸出的高頻脈沖電壓波udo周期性回零，如圖7（a）所示；在DC/AC逆變橋交流側(cè)有無(wú)功能量回饋期間，高頻脈沖電壓波udo出現(xiàn)不回零現(xiàn)象，如圖7（b）所示；DC/AC逆變橋調(diào)制電壓波形uAB滿足脈沖極性連貫性原則，如圖7（c）所示；DC/AC逆變橋?yàn)V波電感電流iLf在給定電流信號(hào)ig的滯環(huán)寬度內(nèi)變化，如圖7（d）所示；負(fù)載兩端得到的低THD輸出正弦波uO，如圖7（e）所示。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種電路拓?fù)涞目尚行浴?/p>
6結(jié)論
（a）DC/AC逆變橋沒(méi)有無(wú)功能量回饋時(shí)高頻脈沖電壓波udo
（b）DC/AC逆變橋有無(wú)功能量回饋時(shí)高頻脈沖電壓波udo
(c)DC/AC逆變橋調(diào)制電壓波形uAB
(d)DC/AC逆變橋?yàn)V波電感電流iLf
(e)DC/AC逆變器輸出電壓波形uO圖7高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器原理試驗(yàn)波形
圖7 高頻直流肪沖環(huán)節(jié)靜止變流器原理試驗(yàn)波形
通過(guò)本文分析研究，可以得出如下結(jié)論：
(1)多功能一體化PWMDC/DC變換器族新概念，是這種電路拓?fù)涞膭?chuàng)新所在；
(2)高頻直流脈沖環(huán)節(jié)靜止變流器電路拓?fù)?，由并?lián)交錯(cuò)有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級(jí)聯(lián)而成，各自構(gòu)成閉環(huán)回路，前者采用電壓型PWM控制技術(shù)，后者采用三態(tài)DPM電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)；
(3)為了保證DC/AC逆變橋功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS，且輸出低THD的正弦波，高頻脈沖輸出電壓波udo的平均值和最大占空比應(yīng)合理設(shè)計(jì)；
(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種新穎的靜止變流器電路拓樸是可行的。