高频链逆变电源的设计

段峻¹，段成刚¹，苏彦民¹，张建荣²，白小青²

(1.西安交通大学，陕西西安710049）

(2.西安爱科电子，陕西西安710075）

摘要：首先简要地介绍了逆变电源采用高频链逆变技术的优势，然后具体针对1000VA高频链逆变电源进行了主电路和控制方案的设计，并对设计中可能出现的问题进行了考虑，最后给出了相应的仿真波形和实验波形，证明了该逆变电源具有良好的性能。
关键词：高频链；周波变换器；逆变器；移相控制

1引言
在传统的逆变电源中，由于大部分采用的都是逆变器—工频变压器—滤波器的结构，使得整个逆变电源又大又笨重，难以满足人们对现代电源高功率密度、高效率、高可靠性、小型轻量化的要求，而且由于制造工频变压器需消耗大量的铁和铜，所以使整个逆变电源的造价很高。为了克服传统逆变器的缺点，Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频链技术的概念，并由于高频链技术能够大大减小逆变电源的重量和体积，所以成为国内外争相研究的热点。
高频链技术是指利用高频开关技术使隔离耦合变压器实现高频化、小型化、无噪声化的技术。由于
U=4.44fNBS
式中：U为正弦电压有效值（V）；
f为正弦电压频率（Hz）；
N为绕组匝数（匝）；
B为铁心磁通密度（T）；
S为铁心的横截面积（m2）。
所以，当电压和铁心材料选定时，f与NS成反比，即f越大，NS越小，这样就可以达到减小变压器的体积和重量的目的。
本文针对电气化铁路中广泛应用的25Hz逆变电源进行了高频链设计。
2主电路的设计
随着高频链技术的不断成熟，现在从结构上主要分为二类，即高频链DC/DC变换型和高频链周波变换型。
高频链DC/DC变换型就是在传统逆变电源的直流侧和逆变器之间加入一级DC/DC变换器，由于DC/DC变换器采用的是高频变换，所以电路中使用的是高频变压器，这样就可以省掉体积庞大的工频变压器，其电路结构如图1（a）所示。虽然DC/DC变换型实现起来比较容易，但是存在功率只能单向流动，负载不能向电源回馈能量；三级功率变换，既使得系统效率低，又使得系统复杂，从而降低了系统的可靠性等缺点。
高频链周波变换型主要由高频电压源逆变器、高频变压器和周波变换器组成，其电路结构如图1(b)所示。与高频链DC/DC型相比，该逆变器实现逆变只经过两级功率变换，降低了变换器的通态损耗和系统的复杂性，提高了系统的效率和可靠性，而且功率可以实现双向流动。本文介绍高频链周波变换型的主电路设计。

具体实现时，高频逆变器可以采用推挽式、半桥式和全桥式，周波变换器可以采用全波式、全桥式。考虑到输出电压和功率的设计要求，最终确定的电路结构如图2所示。图中，Ui为输入直流电压，S1、S2、S3、S4组成全桥逆变器，T为高频变压器，K1、K2、K3、K4是由2个反向串联的MOSFET组成的双向开关，共同组成全桥式周波变化器，L、C组成LC滤波器。

3控制方法及其实现
本文的高频链周波变换型采用移相控制方案，移相控制是近年来在全桥变换电路拓扑中广泛应用的一种控制方式。移相控制的基本工作原理为，全桥变换电路每一个桥臂的两个开关管互补导通，两个桥臂的开关管导通之间相差一个相位，即所谓的移相角。通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，达到调节相应的输出电压的目的。
系统工作原理如图3所示，输入的220V/50Hz交流市电经过整流滤波后变成300V左右的直流，然后经过全桥逆变器的高频逆变，输出25kHz相邻脉冲互为反极性的SPWPM（正弦脉宽脉位调制）波，该波形含有SPWM波的全部信息，但不含25Hz调制波的频率成分，适合于高频变压器传输。SPWPM波通过高频变压器隔离后，用周波变换器同步整流，把25Hz正半周时间内的负脉冲翻转成正脉冲，把25Hz负半周时间内的正脉冲翻转成负脉冲之后，将得到25Hz的单极性SPWM波（如图3中uA′B′所示波形）。SPWM波通过LC滤波，则输出光滑的220V/25Hz的正弦交流电压。

为了实现上述的移相控制策略，本文采用了用模拟电路实现PID调节，用数字电路CPLD（复杂可编程逻辑器件）来实现驱动信号的时序和逻辑控制的设计方法。这种方法使得整个控制器的集成度提高，可靠性增强，而且为控制电路的设计提供了一定的灵活性。整个控制环节分为内环和外环两条控制电路，内环为电压瞬时值比例（P）调节，外环为电压平均值的比例积分（PI）调节。由于内环响应速度快，可以改善电压的瞬时波动造成的波形畸变，外环可以使整体的稳压的特性变硬，从而达到良好的稳压效果。
具体实现上如图4所示，输出电压Uo经过反馈变压器变换得到反馈电压，再经过精密整流电路后，与5V的参考电压相减，得到的偏差进行PI调节，然后与基准正弦半波相乘得到内环瞬时电压偏差的正弦参考电压；内环的瞬时电压反馈信号经过比例环节后，与参考电压相减

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