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,。對于交流用電負(fù)載與主直流電源共地的場合,，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逆變器級聯(lián)而成,，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、體積重量小、效率高,、成本低等優(yōu)點,。MISSC變換器不但實現(xiàn)了DC/DC變換器的軟開關(guān)，而且還為DC/AC逆變器實現(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過零時切換實現(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)回饋無功能量吸收電路（由有源開關(guān)Sr和儲能電容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)交錯有源箝位正激式MISSC變換器作為前置級,，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，同時又具備正激Forward變換器的優(yōu)點,。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，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)交錯有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級聯(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)（因為其提供的輸出電流大小是按照DC/AC逆變器所需的正弦規(guī)律分布的）,；后級電路拓樸簡潔,，逆變橋功率器件可實現(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,。快速電流檢測元件將檢測到的濾波電感電流信號if送到滯環(huán)比較器同相輸入端,，給定信號ig加在其反相輸入端,。滯環(huán)比較器輸出通過邏輯延時、分相和驅(qū)動電路來驅(qū)動控制逆變橋功率開關(guān),。
為了減小濾波電感電流iLf脈動量,，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,，檢測濾波電感電流iLf做為反饋電流if與給定電流ig相比較，根據(jù)二個電流瞬時值之差來決定,，單相逆變橋四個功率開關(guān)在下一個高頻脈沖電壓波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)計輸出濾波器參數(shù)和滯環(huán)寬度,，可以實現(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幾個關(guān)鍵問題的討論
(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,，其實質(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,，若占空比2D過小，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)流時間長,，加大了作為續(xù)流二級管用的功率MOSFET體內(nèi)寄生二級管的電流定額。同時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間短暫,。過零檢測信號發(fā)出的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號經(jīng)過驅(qū)動電路,，存在波形傳輸延時時間和功率器件的開關(guān)時間,，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,，未能實現(xiàn)ZVS開關(guān)。為了保證功率器件可靠實現(xiàn)ZVS開關(guān),，需要一定時間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過零檢測與控制
高頻脈沖輸出電壓波udo過零檢測與控制，是DC/AC逆變橋功率開關(guān)實現(xiàn)ZVS的關(guān)鍵所在,。由于udo與MISSC變換器二個功率開關(guān)驅(qū)動信號同步,，因此只要將二個功率開關(guān)的驅(qū)動信號uGS1、uGS2“或”在一起,，經(jīng)反相并由脈沖前沿延時電路延時,、整形,，便得到了過零檢測信號uP，各信號相位關(guān)系如圖6所示,。只要延遲時間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,，利用udo與功率開關(guān)驅(qū)動信號之間的邏輯關(guān)系，將驅(qū)動信號加以適當(dāng)變換,，并考慮驅(qū)動電路傳輸延遲時間,，獲得過零信號，是一種簡潔實用的方法,。
圖6幾個信號之間的相位關(guān)系
5試驗結(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,，原理試驗波形如圖7所示。試驗結(jié)果表明：在DC/AC逆變橋交流側(cè)沒有無功能量回饋期間,，前置級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逆變橋濾波電感電流iLf在給定電流信號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。試驗結(jié)果證實了這種電路拓?fù)涞目尚行浴?/p>
6結(jié)論
（a）DC/AC逆變橋沒有無功能量回饋時高頻脈沖電壓波udo
（b）DC/AC逆變橋有無功能量回饋時高頻脈沖電壓波udo
(c)DC/AC逆變橋調(diào)制電壓波形uAB
(d)DC/AC逆變橋濾波電感電流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波形
圖7 高頻直流肪沖環(huán)節(jié)靜止變流器原理試驗波形
通過本文分析研究,，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)交錯有源箝位正激式MISSC變換器和DC/AC逆變器級聯(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,；
(4)試驗結(jié)果表明，這種新穎的靜止變流器電路拓樸是可行的,。