如何設計1000VA高頻鏈逆變電源
怎么規劃1000VA高頻鏈逆變電源
時刻：2013-1-7 18:00:00 來歷： 點擊數：1006
中華電源網訊：
高頻鏈技能是指使用高頻開關技能使阻隔耦合變壓器完成高頻化、小型化、無噪聲化的技能。因為
U=4.44fNBS
式中：U為正弦電壓有效值（V）；
f為正弦電壓頻率（Hz）；
N為繞組匝數（匝）；
B為鐵心磁通密度（T）；
S為鐵心的橫截面積（m2）。
所以，當電壓和鐵心資料選定時，f與NS成反比，即f越大，NS越小，這樣就能夠到達減小變壓器的體積和分量的意圖。
這篇文章對于電氣化鐵路中廣泛使用的25Hz逆變電源進行了高頻鏈規劃。
主電路的規劃
跟著高頻鏈技能的不斷老練，現在從布局上首要分為二類，即高頻鏈DC/DC改換型和高頻鏈周波改換型。
高頻鏈DC/DC改換型就是在傳統逆變電源的直流側和逆變器之間參加一級DC/DC改換器，因為DC/DC改換器選用的是高頻改換，所以電路中運用的是高頻變壓器，這樣就能夠省掉體積巨大的工頻變壓器，其電路布局如圖1（a）所示。盡管DC/DC改換型完成起來對比容易，可是存在功率只能單向活動，負載不能向電源回饋能量；三級功率改換，既使得體系效 率低，又使得體系雜亂，然后降低了體系的可靠性等缺點。
高頻鏈周波改換型首要由高頻電壓源逆變器、高頻變壓器和周波改換器構成，其電路布局如圖1(b)所示。與高頻鏈DC/DC型對比，該逆變器完成逆變只經過兩級功率改換，降低了改換器的通態損耗和體系的雜亂性，進步了體系的功率和可靠性，并且功率能夠完成雙向活動。這篇文章介紹高頻鏈周波改換型的主電路規劃 。
(a)高頻鏈DC/DC改換型
(b)高頻鏈周波改換型
圖1 ：兩種高頻鏈逆變電路
詳細完成時，高頻逆變器能夠選用推挽式、半橋式和全橋式，周波改換器能夠選用全波式、全橋式。考慮到輸出電壓和功率的規劃要求，最終斷定的電路布局如圖2所示。圖中，Ui為輸入直流電壓，S1、S2、S3、S4構滿足橋逆變器，T為高頻變壓器，K1、K2、K3、K4是由2個反向串聯的MOSFET構成的雙向開關，一起構滿足橋式周波變化器，L、C構成LC濾波器。
圖2：主電路的電路布局
操控辦法及其完成
這篇文章的高頻鏈周波改換型選用移相操控計劃，移相操控是這些年在全橋改換電路拓撲中廣泛使用的一種操控方式。移相操控的根本作業原理為，全橋改換電路每一個橋臂的兩個開關管互補導通，兩個橋臂的開關管導通之間相差一個相位，即所謂的移相角。經過調理此移相角的巨細，來調理輸出電壓脈沖寬度，到達調理相應的輸出電壓的意圖。
體系作業原理如圖3所示，輸入的220V/50Hz溝通市電經過整流濾波后成為300V左右的直流，然后經過全橋逆變器的高頻逆變，輸出25kHz相鄰脈沖互為反極性的SPWPM（正弦脈寬脈位調制）波，該波形富含SPWM波的悉數信息，但不含25Hz調制波的頻率成分，適合于高頻變壓器傳輸。SPWPM波經過高頻變壓器阻隔后，用周波改換器同步整流，把25Hz正半周時刻內的負脈沖翻轉成正脈沖，把25Hz負半周時刻內的正脈沖翻轉成負脈沖之后，將得到25Hz的單極性SPWM波（如圖3中uA′B′所示波形）。SPWM波經過LC濾波，則輸出潤滑的220V/25Hz的正弦溝通電壓。
圖3：主電路的開關時序
為了完成上述的移相操控戰略，這篇文章選用了用模仿電路完成PID調理，用數字電路CPLD（雜亂可編程邏輯器件）來完成驅動信號的時序和邏輯操控的規劃辦法。這種辦法使得整個操控器的集成度進步，可靠性增強，并且為操控電路的規劃供給了必定的靈活性。整個操控環節分為內環和外環兩條操控電路，內環為電壓瞬時值份額（P）調理，外環為電壓平均值的份額積分（PI）調理。因為內環呼應速度快，能夠改進電壓的瞬時動搖形成的波形畸變，外環能夠使整體的穩壓的特性變硬，然后到達杰出的穩壓效果。
詳細完成上如圖4所示，輸出電壓Uo經過反應變壓器改換得到反應電壓，再經過精密整流電路后，與5V的參閱電壓相減，得到的差錯進行PI調理，然后與基準正弦半波相乘得到內環瞬時電壓差錯的正弦參閱電壓；內環的瞬時電壓反應信號經過份額環節后，與參閱電壓相減，得到差錯信號，差錯信號再經過P調理就直接與三角波對比，產正SPWM波，然后輸入CPLD中，經過CPLD發生MOSFET的驅動信號，其間選用VHDL（硬件描繪言語）編程來完成圖4中虛框所示的功用——分頻器、地址發生器、對比器和時序邏輯發生器。
圖4：操控電路圖
如圖3所示這篇文章選用的是用等腰三角波來完成雙方調制。國外許多高頻鏈規劃中一般選用的是鋸齒波完成單邊調制，其直邊用于同步開關時序，斜邊用于脈寬調制，而在實踐使用中，這種辦法存在鋸齒波的直邊不能徹底筆直而帶來的開關時序同步疑問。這篇文章所選用CPLD進行時序規劃的辦法，從根本上處理了開關時序同步的疑問。
規劃中大概留意的幾個疑問
變壓器的規劃
變壓器規劃是整機規劃中重要的一環，規劃的好壞對整機的功能有很大的影響。因為所規劃的變壓器是高頻變壓器，因而，磁芯資料選用鐵氧體。經過核算AP值的辦法來核算變壓器磁芯標準和原副邊匝數后，還應留意以下幾點：
1）經過試驗重復修正斷定最好的參數；
2）盡量選用多股線，削減趨膚效應；
3）盡量將副邊繞制在內層，原副邊嚴密繞制，以減小副邊的漏感。
抗偏磁飽滿
為了避免變壓器的偏磁飽滿，一方面，調整驅動脈沖死區，選擇開關特性一致的功率開關管；另一方面，在變壓器的原邊串聯隔直電容。有關幾個參數的核算公式如下：
吸收電路的規劃
因為電壓源高頻鏈逆變技能存在固有的電壓過沖疑問，因而怎么規劃吸收電路，對維護功率開關管尤為重要。這兒給出簡便的規劃辦法。
死區時刻和共態導通時刻
為了避免全橋逆變電路一個橋臂中的上下開關管一起導通而出現直通的狀況，需要在全橋逆變電路的驅動中參加死區時刻。一起，為了確保當開關管換流時，濾波電感中的電流有續流通路，要在周波改換器的驅動中參加共態導通時刻。可是因為共態導通時刻也形成了變壓器副邊剎那間短路，將發生一個很高的電流尖峰，所以共態導通時刻不宜設置過長，為此，在變壓器副邊串入小電感來按捺電流尖峰。
仿真及其試驗波形
這篇文章使用MATLAB6.1供給的SIMULINK工具包對整個體系建立了仿真模型進行仿真。仿真模型參數：輸入直流電壓300V，輸出溝通電壓220V，25Hz，額外容量1000VA，開關頻率25kHz，變壓器變比1/1.4，輸出濾波電感L=0.5 mH，輸出濾波電容C=20μ F額外負載R=45Ω。仿真波形如圖5所示 。
(a)變壓器原邊電壓波形
(b)變壓器副邊電壓波形
(c)空載輸出電壓波形
(d)帶載輸出電壓波形
圖5：仿真波形
原理樣機的試驗波形如圖6所示。
(a)變壓器原邊電壓波形100V/Div 20μs/Div
(b)變壓器副邊電壓波形125V/Div 20μs/Div
(c)空載電壓波形100V/Div 10ms/Div
(d)滿載電壓波形100V/Div 10ms/Div
圖6：試驗波形
選用周波改換器高頻鏈技能完成的逆變電源電壓輸出特性杰出，相對于傳統的逆變電源具有分量輕、體積小、低噪音、成本低的許多優點，具有較高的實用價值
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