單相諧振型零電壓軟開關(guān)逆變器研究

臧 越，楊 艷，李 森，丁 濤

（青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 青島266071）

單相諧振型零電壓軟開關(guān)逆變器研究

臧 越，楊 艷，李 森，丁 濤

（青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 青島266071）

針對變換器中多諧波和開關(guān)損耗以及輸出不穩(wěn)定問題，對一種直流諧振型有源輔助電路成的軟開關(guān)逆變器進(jìn)行研究，完成開關(guān)管的的零電壓通斷，降低通斷損耗。控制模塊中采用以電感電流反饋的內(nèi)環(huán)，外環(huán)為電壓瞬時反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)控制策略提高系統(tǒng)穩(wěn)定和動態(tài)響應(yīng)特性。通過對數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

直流諧振；軟開關(guān)；逆變器；雙閉環(huán)控制

Abstract:For converter in a harmonic and switch loss， and output instability problem， so put a DC resonant active auxiliary circuit into the research of soft switch inverter，complete on-off switch tube of zero voltage，reduce the loss of on and off.Control module based on inductor current feedback in the inner ring and outer ring for voltage instantaneous feedback with the combination of double closed loop control strategy to improve system stability and dynamic response.By analyzing the data，the experimental results verify the feasibility and effectiveness of the system design.

Key words:DC resonant； soft-switching； inverter； double closed loop control

電子開關(guān)的高頻化趨向的發(fā)展，電磁兼容問題日益突出。逆變器是UPS，感應(yīng)電源和分布式發(fā)電系統(tǒng)中重要電力電子設(shè)備的核心部件，對輸出波形質(zhì)量，動態(tài)響應(yīng)性，抗干擾性具有很高的要求。輸出波形的嚴(yán)重失真[1]對電網(wǎng)的諧波污染以及在高頻下的開關(guān)損耗成為了變流器發(fā)展的瓶頸。一般提出的逆變器設(shè)計(jì)固然實(shí)現(xiàn)了零電壓的通斷，可是增加了開關(guān)管的電壓應(yīng)力需要性能良好的開關(guān)管，對于文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)的三相拓?fù)洳坏珱]有額外增加開關(guān)管電壓應(yīng)力，而且還實(shí)現(xiàn)了ZVS通斷。文中在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對一種單相逆變器進(jìn)行研究，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，采用了雙閉環(huán)控制[3-4]策略?；赑I調(diào)節(jié)器的電壓瞬時反饋為外環(huán)，電感電流瞬時反饋為內(nèi)環(huán)，同時引入負(fù)載擾動前饋補(bǔ)償相結(jié)合的雙閉環(huán)控制策略。外環(huán)控制用于保證穩(wěn)態(tài)參考跟蹤特性，提高動態(tài)性能和抗負(fù)載力；對于系統(tǒng)干擾，內(nèi)環(huán)控制提供快速動態(tài)特性補(bǔ)償以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，使變流電路的機(jī)能大大提高。通過理論實(shí)驗(yàn)分析，對這種系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]的基礎(chǔ)上對單相逆變器進(jìn)行研究，通過電容Cr和電感Lr以及一個開關(guān)管組成的直流側(cè)輔組回路來實(shí)現(xiàn)ZVS。選取電感Lr值比較大可以抑制二極管反向恢復(fù)電流增加，電容Cr1—Cr4包含開關(guān)管的寄生電容，對電路有一定的緩沖作用。

1.2 動作原理分析

負(fù)載以電流源的形式替換對系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)工作階段進(jìn)行分析。

接上一階段狀態(tài)，S1和S2處于導(dǎo)通狀態(tài)，D2續(xù)流，電容Cr對電感充磁Lr電感電流iLr增加，主開關(guān)側(cè)母線電壓為直流輸入Udc。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 工作波形圖

t2時，S5=0，在二極管D5作用下實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷，Lr開始與 C3、C4、Cr5發(fā)生諧振反應(yīng)，Cr3和 Cr4進(jìn)入放電狀態(tài)儲存能量減小，Cr5增加。直到t3時刻，Ucr5=Udc，Uc3=Uc4=0 諧振結(jié)束。

t3時，S2=0，其二極管D2導(dǎo)通嵌位，實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷。經(jīng)過一定的死區(qū)時間。t4時，S4=1，其并聯(lián)電容C4的電壓為零，認(rèn)為ZVS導(dǎo)通，D2與D4進(jìn)入換流階段。

因?yàn)橹C振電感Lr的值比較大，iD2的反向電流被抑制，在t4時減小到零后不再反向增加。t5時，諧振電感 Lr與 C2，C3，Cr5發(fā)生諧振反應(yīng)。

t5時處在諧振過程，Uc2和Uc3增加，Uc5減小。在t6時，Uc5減少到零，在二極管D5的導(dǎo)通嵌位下結(jié)束諧振過程，然后觸發(fā)S5導(dǎo)通信號，可認(rèn)為S5實(shí)現(xiàn)零電壓的開通。

t6時，諧振過程結(jié)束，主開關(guān)S3的端電壓Uc3=Udc。t7時，觸發(fā)S4關(guān)斷信號，在其并聯(lián)電容C4的作用下實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。Lr開始提供C4充電，C2放電條件。

t7時Lr與C2和C4開始諧振一直持續(xù)到t8時刻，t8時，C2放電狀態(tài)結(jié)束，觸發(fā)S2導(dǎo)通信號，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，諧振中的電流繼續(xù)降低持續(xù)到下一周期個周期。

上述各模式階段對應(yīng)狀態(tài)圖如圖3所示。

1.3 軟開關(guān)條件

當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，諧振回路要保證諧振磁鏈平衡，得出UCr=DUdc，D為輔組開關(guān)關(guān)斷占空比，對諧振Mode2與Mode5充放電諧振狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)回路等效分析可得：

1.4 控制模塊分析

采用典型的電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制，利用給定電壓和反饋采樣電壓比較后經(jīng)PID調(diào)節(jié)器作為電流內(nèi)環(huán)給定值與反饋電流經(jīng)過比例放大產(chǎn)生控制脈沖進(jìn)行開關(guān)通斷控制。

通過反饋電容的電流為內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)有源阻尼效果，對電壓變化趨勢進(jìn)行校正，改善系統(tǒng)動態(tài)特性。內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞

內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞

外環(huán)開環(huán)傳遞

外環(huán)閉環(huán)傳遞

圖3 主要階段工作狀態(tài)圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)研究

利用SIMULINK仿真環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，輔助開關(guān)和主開關(guān)同頻率，仿真基本參數(shù)：開關(guān)頻率，Udc=350 V，fs=50 kHz，Cr1=Cr2=Cr3=Cr4=Cr5=1 nF，Cr=20 μF，Lr=16 μH

通過關(guān)鍵波形輸出觀察，輔助開關(guān)也可以ZVS導(dǎo)通，沒有額外增加損耗，開關(guān)管的端電壓在直流輸入電壓附近，輸出波形基本也符合理論分析。

圖5 電容Cr電壓波形

圖6 諧振Lr電流波形

圖7 輔助S5電壓波形

圖8 主開關(guān)S1端電壓波形

3 結(jié) 論

對單相軟開關(guān)逆變器進(jìn)行了分析，僅用一個輔助管就可以實(shí)現(xiàn)零電壓通斷，并沒有額外的增加開關(guān)管電壓應(yīng)力和損耗，數(shù)據(jù)基本和理論分析相符，符合現(xiàn)代電力電子裝置的設(shè)計(jì)趨勢，具有較好的應(yīng)用價值，值得研究與推廣。

[1]郭燕瓊，王志敏，張建軍.新能源并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流通用控制[J].電子測試，2012（3）:103-106.

[2]李睿，馬智遠(yuǎn)，徐德鴻.一種新型有源箝位軟開關(guān)三相并網(wǎng)逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，48（30）:30-38.

[3]錢平，王文發(fā)，葉銀忠.單相LCL濾波器并網(wǎng)變器雙閉環(huán)控制的研究[J].低壓電器，2012（8）:18-26.

[4]謝芬，魯杰，潘麗.基于Simulink庫仿真的單相逆變電源調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（10）:22-25.

[5]李睿，馬智遠(yuǎn)，徐德鴻.一種高效率軟開關(guān)三相并網(wǎng)逆變器[J].電力系統(tǒng)自動化， 2011，35（3）:62-66.

[6]譚麗平，李曉松，羅振宇.基于MATLAB仿真的SPWM逆變電路諧波分析及濾波器設(shè)計(jì)[J].長沙：理工大學(xué)學(xué)報，2010，7（3）:42-46.

[7]劉國海，吳犇，金科，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中高升壓比DC—DC變換器 [J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，44（1）:25-31.

[8]張川峰，劉棟良.基于Simulink的諧振型濾波器的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016（1）:140-141.

[9]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].1版.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[10]巫付專，沈虹.電能變換與控制[M].1版.北京：北京電子工業(yè)出版社，2014.

[11]王川川，朱長青，顧闖.逆變器雙環(huán)控制算法仿真研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（4）:78-81.

[12]楊鑫，韓如成，智澤英.基于軟開關(guān)技術(shù)的級聯(lián)式逆變器仿真研究[J].電氣技術(shù)，2012（5）:18-21.

[13]王強(qiáng).WANG Qiang新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)零電壓開關(guān)逆變器[J].電力電子技術(shù)，2015，49（4）:39-41.

[14]陳繼洪，洪峰.一種新型的正激并網(wǎng)微逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（14）:286-294.

[15]王強(qiáng).一種新型諧振極型軟開關(guān)逆變器[J].電器與能效管理技術(shù)，2014（17）:44-48.

[16]劉斌，黃新波，程文飛，等.喬衛(wèi)中新型高壓變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)電源逆變器的設(shè)計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2015（1）:105-109.

[17]張清華，張志軍.電力變電站蓄電池遠(yuǎn)程充放電維護(hù)管理系統(tǒng) [J].電力信息與通信技，2017（1）:46-50.

Single-phase resonant type zero voltage soft switching inverter research

ZANG Yue，YANG Yan， LI Sen，DING Tao
（Institute of Automation and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao266071，China）

TM46

A

1674-6236（2017）19-0103-04

2016-08-24稿件編號201608183

臧 越（1990—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生。研究方向：電力電子電能變換技術(shù)，新能源技術(shù)。