如何設(shè)計(jì)1000VA高頻鏈逆變電源
怎么規(guī)劃1000VA高頻鏈逆變電源
時(shí)刻：2013-1-7 18:00:00 來(lái)歷： 點(diǎn)擊數(shù)：1006
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高頻鏈技能是指使用高頻開(kāi)關(guān)技能使阻隔耦合變壓器完成高頻化、小型化、無(wú)噪聲化的技能。因?yàn)?BR>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(shù)（匝）；
B為鐵心磁通密度（T）；
S為鐵心的橫截面積（m2）。
所以，當(dāng)電壓和鐵心資料選定時(shí)，f與NS成反比，即f越大，NS越小，這樣就能夠到達(dá)減小變壓器的體積和分量的意圖。
這篇文章對(duì)于電氣化鐵路中廣泛使用的25Hz逆變電源進(jìn)行了高頻鏈規(guī)劃。
主電路的規(guī)劃
跟著高頻鏈技能的不斷老練，現(xiàn)在從布局上首要分為二類(lèi)，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(tǒng)逆變電源的直流側(cè)和逆變器之間參加一級(jí)DC/DC改換器，因?yàn)镈C/DC改換器選用的是高頻改換，所以電路中運(yùn)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(lái)對(duì)比容易，可是存在功率只能單向活動(dòng)，負(fù)載不能向電源回饋能量；三級(jí)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(diǎn)。
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(gòu)成，其電路布局如圖1(b)所示。與高頻鏈DC/DC型對(duì)比，該逆變器完成逆變只經(jīng)過(guò)兩級(jí)功率改換，降低了改換器的通態(tài)損耗和體系的雜亂性，進(jìn)步了體系的功率和可靠性，并且功率能夠完成雙向活動(dòng)。這篇文章介紹高頻鏈周波改換型的主電路規(guī)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(xì)完成時(shí)，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(guī)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(gòu)滿足橋逆變器，T為高頻變壓器，K1、K2、K3、K4是由2個(gè)反向串聯(lián)的MOSFET構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)，一起構(gòu)滿足橋式周波變化器，L、C構(gòu)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(jì)劃，移相操控是這些年在全橋改換電路拓?fù)渲袕V泛使用的一種操控方式。移相操控的根本作業(yè)原理為，全橋改換電路每一個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位，即所謂的移相角。經(jīng)過(guò)調(diào)理此移相角的巨細(xì)，來(lái)調(diào)理輸出電壓脈沖寬度，到達(dá)調(diào)理相應(yīng)的輸出電壓的意圖。
體系作業(yè)原理如圖3所示，輸入的220V/50Hz溝通市電經(jīng)過(guò)整流濾波后成為300V左右的直流，然后經(jīng)過(guò)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(diào)制）波，該波形富含SPWM波的悉數(shù)信息，但不含25Hz調(diào)制波的頻率成分，適合于高頻變壓器傳輸。SPWPM波經(jīng)過(guò)高頻變壓器阻隔后，用周波改換器同步整流，把25Hz正半周時(shí)刻內(nèi)的負(fù)脈沖翻轉(zhuǎn)成正脈沖，把25Hz負(fù)半周時(shí)刻內(nèi)的正脈沖翻轉(zhuǎn)成負(fù)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(jīng)過(guò)LC濾波，則輸出潤(rùn)滑的220V/25Hz的正弦溝通電壓。
圖3：主電路的開(kāi)關(guān)時(shí)序
為了完成上述的移相操控戰(zhàn)略，這篇文章選用了用模仿電路完成PID調(diào)理，用數(shù)字電路CPLD（雜亂可編程邏輯器件）來(lái)完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序和邏輯操控的規(guī)劃辦法。這種辦法使得整個(gè)操控器的集成度進(jìn)步，可靠性增強(qiáng)，并且為操控電路的規(guī)劃供給了必定的靈活性。整個(gè)操控環(huán)節(jié)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩條操控電路，內(nèi)環(huán)為電壓瞬時(shí)值份額（P）調(diào)理，外環(huán)為電壓平均值的份額積分（PI）調(diào)理。因?yàn)閮?nèi)環(huán)呼應(yīng)速度快，能夠改進(jìn)電壓的瞬時(shí)動(dòng)搖形成的波形畸變，外環(huán)能夠使整體的穩(wěn)壓的特性變硬，然后到達(dá)杰出的穩(wěn)壓效果。
詳細(xì)完成上如圖4所示，輸出電壓Uo經(jīng)過(guò)反應(yīng)變壓器改換得到反應(yīng)電壓，再經(jīng)過(guò)精密整流電路后，與5V的參閱電壓相減，得到的差錯(cuò)進(jìn)行PI調(diào)理，然后與基準(zhǔn)正弦半波相乘得到內(nèi)環(huán)瞬時(shí)電壓差錯(cuò)的正弦參閱電壓；內(nèi)環(huán)的瞬時(shí)電壓反應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)份額環(huán)節(jié)后，與參閱電壓相減，得到差錯(cuò)信號(hào)，差錯(cuò)信號(hào)再經(jīng)過(guò)P調(diào)理就直接與三角波對(duì)比，產(chǎn)正SPWM波，然后輸入CPLD中，經(jīng)過(guò)CPLD發(fā)生MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其間選用VHDL（硬件描繪言語(yǔ)）編程來(lái)完成圖4中虛框所示的功用——分頻器、地址發(fā)生器、對(duì)比器和時(shí)序邏輯發(fā)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(lái)完成雙方調(diào)制。國(guó)外許多高頻鏈規(guī)劃中一般選用的是鋸齒波完成單邊調(diào)制，其直邊用于同步開(kāi)關(guān)時(shí)序，斜邊用于脈寬調(diào)制，而在實(shí)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(lái)的開(kāi)關(guān)時(shí)序同步疑問(wèn)。這篇文章所選用CPLD進(jìn)行時(shí)序規(guī)劃的辦法，從根本上處理了開(kāi)關(guān)時(shí)序同步的疑問(wèn)。
規(guī)劃中大概留意的幾個(gè)疑問(wèn)
變壓器的規(guī)劃
變壓器規(guī)劃是整機(jī)規(guī)劃中重要的一環(huán)，規(guī)劃的好壞對(duì)整機(jī)的功能有很大的影響。因?yàn)樗?guī)劃的變壓器是高頻變壓器，因而，磁芯資料選用鐵氧體。經(jīng)過(guò)核算AP值的辦法來(lái)核算變壓器磁芯標(biāo)準(zhǔn)和原副邊匝數(shù)后，還應(yīng)留意以下幾點(diǎn)：
1）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)重復(fù)修正斷定最好的參數(shù)；
2）盡量選用多股線，削減趨膚效應(yīng)；
3）盡量將副邊繞制在內(nèi)層，原副邊嚴(yán)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(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖死區(qū)，選擇開(kāi)關(guān)特性一致的功率開(kāi)關(guān)管；另一方面，在變壓器的原邊串聯(lián)隔直電容。有關(guān)幾個(gè)參數(shù)的核算公式如下：
吸收電路的規(guī)劃
因?yàn)殡妷涸锤哳l鏈逆變技能存在固有的電壓過(guò)沖疑問(wèn)，因而怎么規(guī)劃吸收電路，對(duì)維護(hù)功率開(kāi)關(guān)管尤為重要。這兒給出簡(jiǎn)便的規(guī)劃辦法。
死區(qū)時(shí)刻和共態(tài)導(dǎo)通時(shí)刻
為了避免全橋逆變電路一個(gè)橋臂中的上下開(kāi)關(guān)管一起導(dǎo)通而出現(xiàn)直通的狀況，需要在全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)中參加死區(qū)時(shí)刻。一起，為了確保當(dāng)開(kāi)關(guān)管換流時(shí)，濾波電感中的電流有續(xù)流通路，要在周波改換器的驅(qū)動(dòng)中參加共態(tài)導(dǎo)通時(shí)刻。可是因?yàn)楣矐B(tài)導(dǎo)通時(shí)刻也形成了變壓器副邊剎那間短路，將發(fā)生一個(gè)很高的電流尖峰，所以共態(tài)導(dǎo)通時(shí)刻不宜設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，為此，在變壓器副邊串入小電感來(lái)按捺電流尖峰。
仿真及其試驗(yàn)波形
這篇文章使用MATLAB6.1供給的SIMULINK工具包對(duì)整個(gè)體系建立了仿真模型進(jìn)行仿真。仿真模型參數(shù)：輸入直流電壓300V，輸出溝通電壓220V，25Hz，額外容量1000VA，開(kāi)關(guān)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(fù)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(jī)的試驗(yàn)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(yàn)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(duì)于傳統(tǒng)的逆變電源具有分量輕、體積小、低噪音、成本低的許多優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值
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