一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，通過對變壓器原邊周波變換器和有源鉗位電路的調(diào)制、副邊H橋電路的調(diào)制，不但解決了此類整流器固有的電壓過沖和振蕩的問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)的零電壓開斷，進(jìn)一步提高了工作效率，減小了電磁干擾。本發(fā)明的控制方法對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，使得不論在電阻負(fù)載還是整流器負(fù)載下，還是輸入交流電壓波動(dòng)的情況下，該整流器都能輸出穩(wěn)定的直流電壓。
【專利說明】一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器，屬于電力電子變換技術(shù)。 【背景技術(shù)】
[0002]高頻隔離PWM整流器相比于工頻變壓器隔離的晶閘管相控整流器，具有體積小， 重量輕、噪聲小和造價(jià)低等特點(diǎn)。常規(guī)的高頻隔離AC/DC變換器由AC/DC/HFAC/DC三級變換 構(gòu)成，因其中間有一級是二極管整流電路，所以功率是單方向的。同時(shí)，因?yàn)楣β首儞Q等級 較多，導(dǎo)致效率降低；直流母線的大電容會(huì)降低可靠性。雙向高頻鏈整流器采用AC/HFAC/ DC兩級變換，不需要直流母線大電容。該高頻隔離的整流器可以廣泛用于新能源并網(wǎng)發(fā)電、 UPS、高功率因數(shù)大功率直流電源和電動(dòng)汽車充電等領(lǐng)域
[0003]許多學(xué)者提出了雙功率流向的高頻隔離逆變器，但是提出作為整流器模式工作的 高頻隔離型變換器，包括其電路、調(diào)制方法及其控制策略的文獻(xiàn)很少。也有人初步提出了單 相雙功率流高頻隔離整流器，但有電壓過沖和振蕩等問題。
[0004]以上論述表明，雙向功率流高頻隔離整流器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)越來越受到關(guān)注，如 何消除其消除電壓過沖和振蕩，實(shí)現(xiàn)盡可能多的軟開關(guān)工作條件以提高效率，并開發(fā)相應(yīng) 的控制策略對高頻鏈整流器的輸出電壓和電網(wǎng)側(cè)電感電流進(jìn)行高性能控制等問題亟待解 決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提出一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制 方法，該方法消除了此類整流器的電壓過沖和振蕩現(xiàn)象，鉗位電路和周波變換器均實(shí)現(xiàn)零 電壓開斷，并且在負(fù)載變化和輸入交流電壓波動(dòng)情況下，能輸出穩(wěn)定的直流電壓，并保證高 質(zhì)量的且功率因數(shù)可設(shè)定的電網(wǎng)側(cè)電流波形。
[0006]技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，所述整流器主電路包括: 原邊的由雙向開關(guān)構(gòu)成的周波變換器、原邊的由全橋電路及二極管構(gòu)成的有源鉗位電路、 副邊的H橋電路和諧振電感，其特征在于:
[0009]載波和調(diào)制波以及負(fù)調(diào)制波比較產(chǎn)生主電路中各開關(guān)管的動(dòng)作信號，并留出足夠 的死區(qū)時(shí)間保證鉗位電路和周波變換器中開關(guān)管的零電壓開斷和保證所有開關(guān)管的足夠 的安全裕量；在調(diào)制波極性變化的時(shí)候，副邊H橋電路的超前橋臂和滯后橋臂也跟著互換； 在周波變換器切換時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路同一橋臂上下開關(guān)管工作在互補(bǔ)的模式 下，給原邊電網(wǎng)側(cè)電感電流和變壓器原邊的電流提供通路，不產(chǎn)生電流突變，從而避免電壓 過沖和電壓振蕩；有源鉗位電路中全橋電路的開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作都是在開關(guān)管兩端電位相 同的時(shí)刻進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)鉗位電路的零電壓開關(guān)。
[0010]有益效果:[0011]本發(fā)明所提出的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法通過對變壓器原邊周波變換器和有源鉗位電路的調(diào)制、副邊H橋電路的調(diào)制，不但解決了此類整流器固有的電壓過沖和振蕩的問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)的零電壓開斷，進(jìn)一步提高了工作效率，減小了電磁干擾。本發(fā)明的控制方法對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，使得不論在電阻負(fù)載還是整流器負(fù)載下，還是輸入交流電壓波動(dòng)的情況下，該整流器都能輸出穩(wěn)定的直流電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法原理圖。 [0013]圖2是圖1中主電路的實(shí)現(xiàn)形式之一，其原邊為全波結(jié)構(gòu)的周波變換器。
[0014]圖3是圖1中主電路的實(shí)現(xiàn)形式之一，其原邊為全橋結(jié)構(gòu)的周波變換器。
[0015]圖4是本發(fā)明主要調(diào)制波形。
[0016]圖5 (a)和5 (b)是未加有源鉗位電路的高功率密度隔離型整流器系統(tǒng)變壓器副邊電壓Uab和原邊電壓um。圖5 (C)和5 (d)是帶鉗位電路的高功率密度隔離型整流器系統(tǒng)變壓器副邊電壓Uab和原邊電壓Um。
[0017]圖6 (a)是雙向開關(guān)S5S6上的開關(guān)波形圖，圖6(b)和圖6(c)是原邊Sa上的驅(qū)動(dòng)及開關(guān)管兩端電壓。
[0018]圖7是本發(fā)明軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法以及詳細(xì)波形示意圖。
[0019]圖8是該整流器輸出的電壓和電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0021]如圖1所示，雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器主電路結(jié)構(gòu)包括:原邊的由雙向開關(guān)構(gòu)成的周波變換器、原邊的由全橋電路及二極管構(gòu)成的有源鉗位電路、副邊的H橋電路和諧振電感。
[0022]圖2是原邊周波變換器為全波連接方式的整流器結(jié)構(gòu)圖。該整流器采用副邊一個(gè)繞組，原邊兩個(gè)繞組的三繞組變壓器。在變壓器原邊，雙向開關(guān)S5S6, S7S8的輸出分別連接到變壓器原邊繞組N2的同名端C點(diǎn)和原邊繞組N3的異名端E點(diǎn)，雙向開關(guān)S5S6, S7S8的輸入都連接于一點(diǎn)F，原邊電網(wǎng)側(cè)電感Lf的輸出端也連接到點(diǎn)F ;兩個(gè)二極管Dra和Dc6連接點(diǎn)與周波變換器的輸入點(diǎn)F相連,全橋電路中第一、第二電力電子開關(guān)Sc^Sc2的連接點(diǎn)和第三、第四電力電子開關(guān)SC3、SC4的連接點(diǎn)分別連接變壓器原邊繞組N2的同名端C點(diǎn)和異名端D點(diǎn)。 副邊H橋電路由第一~第四開關(guān)管SpS2、S3和S4組成，第一、第二開關(guān)管S1和S2串聯(lián)形成一個(gè)橋臂，第三、第四開關(guān)管S3和S4串聯(lián)構(gòu)成另一個(gè)橋臂。第一、第二開關(guān)管S1和S2的連接點(diǎn)、第三、第四開關(guān)管S3和S4的連接點(diǎn)分別連接到變壓器副邊繞組N1的同名端A點(diǎn)和異名端B點(diǎn)，H橋的母線上并聯(lián)了直流大電容Cd。圖中的電感Lk是諧振電感。
[0023]組成原邊的周波變換器的基本單元是雙向開關(guān)，雙向開關(guān)有兩個(gè)全控型的電力電子開關(guān)組成，有兩個(gè)開關(guān)反向串聯(lián)、兩個(gè)開關(guān)反向并聯(lián)等幾種，此處僅畫出了以兩個(gè)開關(guān)反向串聯(lián)(圖2中的S5S6等，圖3中S5S5 ’等)的形式。
[0024]圖3是原邊為全橋結(jié)構(gòu)周波變換器的整流器主電路圖，其原邊有源鉗位電路和副邊結(jié)構(gòu)與圖2大致相同，不再贅述。該整流器采用原、副邊均一個(gè)繞組的雙繞組變壓器。在變壓器原邊，兩個(gè)二極管DmDc6的連接點(diǎn)F與原邊電感Lf的輸出端相連，有源鉗位全橋電路中第一、第二電力電子開關(guān)SC1、Sc2的連接點(diǎn)和第三、第四電力電子開關(guān)SC3、Sc4的連接點(diǎn)分別連接變壓器原邊繞組N2的同名端C點(diǎn)和異名端D點(diǎn)；雙向開關(guān)S5S5’、S6S6’、S7S7’和S8S8’ 組成全橋結(jié)構(gòu)，該全橋的兩個(gè)母線分別接到變壓器副邊繞組N2的隊(duì)的同名端C點(diǎn)和異名端 D點(diǎn)，全橋結(jié)構(gòu)中雙向開關(guān)S5S5’和雙向開關(guān)S8S8’連接點(diǎn)E點(diǎn)、雙向開關(guān)S6S6’和雙向開關(guān) S7S/連接點(diǎn)F分別連到原邊電網(wǎng)側(cè)電感Lf的輸出端、電網(wǎng)不連接電感Lf的另一端。
[0025]下面以圖2中的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，結(jié)合圖4對本發(fā)明的控制方法進(jìn)行闡述。
[0026]副邊H橋電路開關(guān)管的開關(guān)時(shí)刻由調(diào)制波Ug和鋸齒載波(或者三角載波)u。比較來決定。相鄰的載波周期內(nèi)118和U。的交點(diǎn)(調(diào)制波Ug和載波U。相等的點(diǎn))分別用來決定第一開關(guān)管S1的開通和關(guān)斷信號，第二開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號與第一開關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)。同時(shí)在以上兩個(gè)相鄰載波周期內(nèi)，負(fù)調(diào)制波-Ug和載波U。的交點(diǎn)(負(fù)調(diào)制波-\和載波U。相等的點(diǎn))分別用來決定第三開關(guān)管S3的開通和關(guān)斷信號，第四開關(guān)管S4的驅(qū)動(dòng)信號與第三開關(guān)管S3的驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)。
[0027]副邊的H橋電路工作在移相調(diào)制模式下，從圖4中可以看出，其移相角度是變化的，并且留出了足夠的上下開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間保證足夠的安全裕度。輸入脈沖的寬度是正弦變化的，在調(diào)制波ug>0時(shí)，S1S2是超前橋臂，S3S4是滯后橋臂。ug〈0時(shí)，超前橋臂和滯后橋臂互換。副邊移相方式工作的全橋電路將電能在高頻交流和直流之間轉(zhuǎn)換。
[0028]原邊的周波變換器電路承擔(dān)單極性PWM脈沖電壓到正負(fù)脈沖電壓之間的轉(zhuǎn)換。 周波變換器具體動(dòng)作方式是:在電網(wǎng)側(cè)為單位功率因數(shù)工作狀態(tài)下，I)在電網(wǎng)電壓的正半波，周波變換器將電能在正負(fù)相間的高頻方波脈沖和正的單極性PWM方波脈沖之間相互轉(zhuǎn)換。2)在輸出電壓的負(fù)半波周波變換器將電能在正負(fù)相間的高頻方波脈沖和負(fù)的單極性 PWM方波脈沖之間相互轉(zhuǎn)換。
[0029]變壓器原邊有源鉗位電路的調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法如下:在電網(wǎng)側(cè)雙向開關(guān)(S5S6、S7S8)切換時(shí)，鉗位電路同一橋臂上下管工作在互補(bǔ)的模式下(Sa與Sc2互補(bǔ)、Sc3與Sw互補(bǔ))保證給電網(wǎng)側(cè)電感電流流經(jīng)變壓器原邊的電流提供通路，不產(chǎn)生電流突變，從而能夠避免電壓過沖和電壓振蕩，并且通過控制鉗位電路中開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作都是在開關(guān)管兩端電位相同的時(shí)刻(如7中t1、t2)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)鉗位電路的零電壓開關(guān)。具體工作方式是:1)在變壓器原邊輸入um>0時(shí),第一、第四電力電子開關(guān)Sc^Se4導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到2nE。n是變壓器的匝數(shù)比，E是直流側(cè)的輸出電壓。2)在變壓器原邊輸入U(xiǎn)m=O時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路第二、第四電力電子開關(guān)SC2、Sc4導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到零，并給變壓器原邊和電網(wǎng)側(cè)電感提供電流通路。3)在變壓器 原邊輸入U(xiǎn)m〈0時(shí)，第二、第三電力電子開關(guān)SC2、SC3導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到_2nE。在調(diào)制信號極性變化的時(shí)候，其副邊全橋電路中的超前橋臂和滯后橋臂也跟著互換。副邊移相方式工作的全橋電路(S1、S2、S3、S4以及它們反并聯(lián)的二極管)， 將電能在高頻交流和直流之間轉(zhuǎn)換。在電網(wǎng)側(cè)雙向開關(guān)(S5S6、S7S8)零電壓切換時(shí)，鉗位電路同一橋臂上下管工作在互補(bǔ)的模式下(Sa與Sc2互補(bǔ)、Sra與Sc4互補(bǔ))保證給電網(wǎng)側(cè)電感電流流經(jīng)變壓器原邊的電流提供通路，不產(chǎn)生電流突變，從而能夠避免電壓過沖和電壓振蕩，并且通過控制鉗位電路中開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作都是在開關(guān)管兩端電位相同的時(shí)刻(如圖7 中A、t2)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)鉗位電路的零電壓開關(guān)。在輸入交流電壓不穩(wěn)定和負(fù)載變化的情況下，該整流器系統(tǒng)都有高質(zhì)量的電網(wǎng)側(cè)電流波形和穩(wěn)定的指定直流電壓輸出。[0030]圖5(a)和5(b)是未加鉗位電路時(shí)的變壓器原邊電壓Uab電壓和副邊電壓Um,可以看出有劇烈的過沖和振蕩。從圖5(c)和5(d)是加入鉗位電路及其相應(yīng)調(diào)制的原邊電壓 Uab電壓和副邊電壓Um，可以看出已經(jīng)將電壓過沖和振蕩消除掉了。在圖6(a)和圖6(b) (C) 中代表性的顯示了 S5S6和Sa上的開關(guān)波形，可以看出它們都實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。與之類似周波變換器和有源鉗位電路的其它開關(guān)管也可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
[0031]圖7是考慮了所有的死區(qū)和安全裕度的調(diào)制主要波形圖，從圖中可以看出，周波變換器的換流都是在變壓器輸出電壓um=uDE=0時(shí)進(jìn)行的，故S5、S6、SJP S8都是零電壓開關(guān)。 周波變換器將電感側(cè)單極性的PWM波形轉(zhuǎn)化為正負(fù)交替的高頻交流電壓。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)鉗位電路中IGBT的動(dòng)作時(shí)刻，能保證所有鉗位電路中的IGBT(Sa~Sc4)都是零電壓開斷。從圖7中可以看出，周波變換器的換流都是在變壓器輸出電壓Ucd=Ude=O時(shí)進(jìn)行的，故S5、S6、SdP S8、都是零電壓開關(guān)。圖7中可以發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)鉗位電路中IGBT的動(dòng)作時(shí)刻，能保證所有鉗位電路中的IGBT(Sa~Sw)都是零電壓開斷。
[0032]本發(fā)明對輸出電壓采用閉環(huán)控制，如圖1，將輸出電壓的的反饋值Vtj與參考值Vfcrf 相減得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PI控制器之后，與鎖相環(huán)的輸出相乘作為電流的給定值 iNref0電流給定值iNMf與電網(wǎng)側(cè)電流iN做減法得到電流誤差信號，經(jīng)多諧振控制器或者重復(fù)控制器運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)制信號ug。載波U。和調(diào)制信號Ug以及負(fù)調(diào)制波-Ug比較產(chǎn)生主電路中各開關(guān)管的動(dòng)作時(shí)刻，并留出足夠的死區(qū)時(shí)間保證開關(guān)管開斷所需的足夠安全裕量。
[0033]多諧振控制器的傳遞函數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，所述整流器主電路包括:原邊的由雙向開關(guān)構(gòu)成的周波變換器、原邊的由全橋電路及二極管構(gòu)成的有源鉗位電路、副邊的H橋電路和諧振電感，其特征在于:載波和調(diào)制波以及負(fù)調(diào)制波比較產(chǎn)生主電路中各開關(guān)管的動(dòng)作信號，并留出足夠的死區(qū)時(shí)間保證鉗位電路和周波變換器中開關(guān)管的零電壓開斷和保證所有開關(guān)管的足夠的安全裕量；在調(diào)制波極性變化的時(shí)候，副邊H橋電路的超前橋臂和滯后橋臂也跟著互換；在周波變換器切換時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路同一橋臂上下開關(guān)管工作在互補(bǔ)的模式下，給原邊電網(wǎng)側(cè)電感電流和變壓器原邊的電流提供通路，不產(chǎn)生電流突變，從而避免電壓過沖和電壓振蕩；有源鉗位電路中全橋電路的開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作都是在開關(guān)管兩端電位相同的時(shí)刻進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)鉗位電路的零電壓開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于原邊有源鉗位電路的調(diào)制:1)在變壓器原邊輸入《m>0時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路第一、第四電力電子開關(guān)(Sa、S。4)導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到2/7E，/?是變壓器的匝數(shù)比，E是直流側(cè)的輸出電壓；2)在變壓器原邊輸入《m=0時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路第二、第四電力電子開關(guān)(SC2、S C4)導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到零，并給變壓器原邊和電網(wǎng)側(cè)電感提供電流通路；3)在變壓器原邊輸入《m〈0時(shí)，有源鉗位電路中全橋電路的第二、第三電力電子開關(guān)(Sc2、 S C3)導(dǎo)通將輸入電壓鉗位到-2/?E。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于原邊的周波變換器電路承擔(dān)單極性PWM脈沖電壓到正負(fù)脈沖電壓之間的轉(zhuǎn)換，具體是: 在電網(wǎng)側(cè)為單位功率因數(shù)工作狀態(tài)下，在電網(wǎng)電壓的正半波，周波變換器將電能在正負(fù)相間的高頻方波脈沖和正的單極性PWM方波脈沖之間相互轉(zhuǎn)換；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半波，周波變換器將電能在正負(fù)相間的高頻方波脈沖和負(fù)的單極性PWM方波脈沖之間相互轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于副邊H橋電路的調(diào)制方法，開關(guān)管開關(guān)時(shí)刻由調(diào)制波Us和載波Uc比較來決定，相鄰的載波周期內(nèi)調(diào)制波\和載波的交點(diǎn)分別用來決定第一開關(guān)管(兄)的開通和關(guān)斷信號，與第一開關(guān)管(兄)同一橋臂的第二開關(guān)管(?)的驅(qū)動(dòng)信號與第一開關(guān)管(兄)的驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)； 同時(shí)在以上兩個(gè)相鄰載波周期內(nèi)，負(fù)調(diào)制波_?g和載波的交點(diǎn)分別用來決定第三開關(guān)管(S3)的開通和關(guān)斷信號，與第 三開關(guān)管(S3)同一橋臂的第四開關(guān)管(?)的驅(qū)動(dòng)信號與與第三開關(guān)管(S3)的驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于副邊的H橋電路工作在移相調(diào)制模式下，移相角度是變化的，輸入脈沖的寬度是正弦變化的，在調(diào)制波"g>0時(shí)，第一、第二開關(guān)管(兄、S2)是超前橋臂，第三、第四開關(guān)管(Aj4)S3S4 是滯后橋臂，?g<0時(shí)，超前橋臂和滯后橋臂互換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于原邊電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)是單位功率因數(shù)、滯后的功率因數(shù)或者超前的功率因數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向功率流高頻隔離有源鉗位整流器的控制方法，其特征在于，采用閉環(huán)控制，將輸出電壓的的反饋值^與參考值Ktef相減得到誤差信號，誤差信號經(jīng)過PI控制器之后，與鎖相環(huán)的輸出相乘作為電流的給定值iNraf，電流給定值iNMf與原邊電網(wǎng)側(cè)電流iN做減法得到電流誤差信號，經(jīng)多諧振控制器或者重復(fù)控制器運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)制信號Ug， 通過PWM調(diào)制方法產(chǎn)生整流器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號。
【文檔編號】H02M7/219GK103595274SQ201310618743
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】程明, 朱文杰, 周克亮 申請人:東南大學(xué)