2023年8月2日发(作者:)
第44卷第5期 2010年5月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.44.No.5 May,2010 双Boost逆变及用于高频链矩阵式逆变器 闰朝阳,李建霞,贾民立,邬伟扬 (燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛066004) 1.- 摘要:适应高频链能量变换的特点,提出一种新型双Boost高频逆变电路,该拓扑由两个全控开关和两个储能电感构 成,通过占空比大于0.5的控制方法实现高频升压及逆变输出。相对普通的全桥高频逆变电路,该拓扑可减少开关个 数以提高变换效率,缩小高频变压器变比进而减小其体积和分布参数,因此可广泛应用于具有高频逆变要求的电路 中。在分析其结构特点及工作原理的基础上,提出一种以双Boost高频逆变电路与典型三相输出型高频链矩阵变换 器相结合的新拓扑,详细分析了Boost电感电流连续模式(CCM)下该电路高频开关周期内的工作状态,给出了相应 的仿真和实验波形,结果证实了该拓扑在高频链能量变换器中应用的可行性及其控制方案的合理性。 关键词:逆变器;高频链:矩阵变换器 中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1000—100X(2010)05—0023—03 Research on Dua1.Boost Invert and Its Application in High Frequency linked Matrix Inverter YAN Zhao-yang,LI Jian—xia,JIA Min—li,WU Wei—yang (Key Lab ofPower Electronicsfor Energy Conservation and Motor Drive ofHebei Province, Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China) Abstract:According to the characteristics of high一 ̄equency linked energy conversion,a new type of topology—double Boost high一 ̄equency inverter circuit is proposed.The new topology consists of two fully—controlled switches and two storage in— ductors,and can achieve boost in any switching cycles by duty ratio greater than 0.5 control method.Compared to full—bridge high ̄equency inverter circuit,it can reduce the inverter circuit switches,and the high一 ̄equency transformer turns ratio,it also can reduces the size of the transformer and distibutiron parameters.The topology can be widely used in many high—fre— quency conversion circuits as the invert circuit.Based on the description of the structural features and work prinples of the new circuit,a new type of high ̄equency linked inverter is proposed based on the combination of dual—Boost invert and matrix conveter,and the various working conditions in one high ̄equecy AC cycle are analyzed,and the relevant simulation and experimental waveforms are also shown.The results prove that the application of the new topology and its control strate— gy of energy change in the high一 ̄equeney link convener are feasibility. Keywords:inverter;high ̄equency link;matrix converter Foundation Project:Supported by the Key Program of the National Naturla Science Foundation of China(No.50237020, No.50837003);Qinhuangdao Foundation for Development of Science and Technology(No.200901A019) 1 引 言 1976年L Gyugyi和B R Pelly提出经典矩阵变 换器(Matrix Converter。简称MC)的概念和电路拓 扑。1977年P M Espelage和B K Bose提出了高频 链逆变技术的新概念L1]。高频链逆变技术与常规逆变 技术的最大不同在于其利用高频变压器实现能量传 递以及输入与输出的电气隔离。从而减小了变压器 型(DC—HFAC—LFAC)【 两种。矩阵变换型逆变器在 变压器初级通过DC/HFAC逆变(简作“前级”)获得 高频交流:在变压器次级采用交流双向开关构成的 矩阵变换器(简作“后级”)实现HFAC/LFAC转变, 省去了中间直流储能环节,可实现单级功率变换和 双向能量传输。通态损耗小,整机效率和可靠性高, 正日益成为研究热点 提出一种Boost变换型高频逆变电路,采用两 只功率开关和两个升压电感实现既升压又逆变的功 能『5】。针对高频链逆变器以高频交流环节耦合能量的 特点,又将其用于矩阵型逆变器的前级,构建出一种 新的三相输出型高频链矩阵逆变器。 的体积和重量,降低了成本,提高了电能利用率,改 善了逆变器的工作特性 按电路拓扑结构形式。高频链逆变器通常可分 为DC/DC变换型(DC.HFAC.DC—LFAC)和矩阵变换 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50237020,50837003); 秦皇岛市科学技术研究与发展项目(200901A019) 定稿日期:2009—11—25 作者简介:闫朝阳(1976一),男,河北望都人,博士研究生,研 究方向为电力电子与电力传动。 首先介绍经典的和所提出的高频链单相/三相 矩阵变换式逆变器拓扑:在给出双Boost高频逆变 电路设计思路的基础上,对所构建的基于双Boost 逆变前级的三相输出型高频链逆变器进行工作模态 分析:然后通过仿真和实验验证其可行性。 23 第44卷第5期 2010年5月 电力电子技术 Powet Electronics Vo1.44,No.5 May,2010 2拓扑结构及其原理分析 2.1三相输出型高频链矩阵式逆变器 可给后级矩阵变换器提供带有死区的交流电压以创 造可能的软开关环境,又可在死区期间给变压器漏 感提供能量回路以消除其造成的矩阵变换器开关应 力.从而实现安全换流。 下面结合图1所示的电路拓扑就前级CCM模 提出一种双Boost高频逆变电路,可适用于变 压器前级DC/AC环节,用以产生后级矩阵变换器所 需的高频交流输入,据此构建的新型三相输出型矩 阵逆变器如图1所示。 VsahhJ VSbh ̄ VS ah VSbhl"] Vs alhJ h1 u VS l]I vs 1] vs ]I 图1双Boost前级高频链单相/三相矩阵变换式逆变器 2.2双Boost高频逆变器 r= 2.2.1 双Boost高频逆变器的推衍 —.● 图2a为传统单管Boost直流斩波器,由全控型 ‰LJ 开关VS、二极管VD、升压电感 和电容C构成,其 功能是以斩控方式实现输入直流电压的升压输出。 图2b为交错并联型双Boost DC/DC变换电路。 (a)单管Boost变换器 (b)交错并联型双管Boost变换器 图2 Boost变换器拓扑 图1所示的前级双管Boost高频逆变电路可由 交错并联双管Boost变换器衍化而来:将图2b中的 二极管VD 和VD2省去,把负载跨接于 , 两点 (VD 和VD 的阳极处)即可得到,这里在A, 处接 入高频变压器及其后级单相/三相矩阵变换器,从而 构建出图1所示的新型高频链逆变器。 对于双管Boost高频逆变器。以两重两相的 PWM方式控制两套Boost电路可实现直流向高频 交流的转换.由此可知.该拓扑具有广泛的应用扩展 性。通过适当的拓扑组合,可应用于多种具有高频交 流需求的直接或隔离型变换电路中 2.2.2主要工作特性及数量关系 以下主要给出有关升压电感以及占空比确定的 数量关系。Boost电路有电感电流连续(CCM)和断续 (DCM)两种工作模式。临界连续时的临界电感值为: 0= 一 ~ (1) 式中:d为电路开关占空比 厂为开关频率;尺为负载电阻。 当L>Lo时,Boost电路工作在CCM,当L<Lo时, Boost电路工作在DCM。这里设计电路工作于CCM, 此时输出电压满足: 1 /to:-丁l_ (2) l一“ 此外该Boost高频逆变的特别之处在于两套电 路的开关有重叠导通时段,即应满足d>O.5。这样既 24 式下的工作状态进行分析。 2.3双Boost前级CCM方式下逆变器工作模态 当后级的矩阵式变换电路采用方波调制,前级 Boost电路工作在CCM模式时.将双Boost电路一 个高频逆变周期的电路工作状态分成4个工作时间 段.如图3所示。 fI I2 ,3 I4 t5 Up i。为变压器初级电压、ql ̄;u ; 为变压器次级电压、电流 图3 CCM下高频逆变周期内的理想波形 前级对应标号的开关驱动信号 和 的 幅值相同.图中以不同值绘出主要为了体现d>O.5 的工作特征。设a,b,C三相输出电流 a>O,ib<O,io>0, 针对此扇区任意高频交流周期.分别列出各时间段 的工作模态。 (1)模态1(to ̄t )VS ,VS2同时导通。一方面变 。被箝位为零,若考虑其漏感的存在,此时变压器漏 感中贮存的能量将通过VS ,VS 以及电源的负端形 成续流回路,从而可以避免过电压的出现;另一方面 两个储能升压电感 和 分别与两个开关形成通 路,此时两电感均处于储能状态。 (2)模态2(tl-t2)t 时刻,VS1关断,VS2导通。 由于VS 的关断, 中的电流将通过变压器初级形 成续流通路,且处于逐渐减小的状态,感应出与电源 同方向的电压,此时 。为两者电压的叠加,实现升 压输出。此外由于VS 一直处于导通状态,£:一直处 于储能阶段。该时段初级电压表达式为: J Up=U&+L1 (3) 【】 (3)模态3(t2at,)t2时刻,VS ,VS 同时导通。 此阶段的工作状态类同模态1。to-t,时段£ 一直处 于储能状态,高频时且CCM模式下可认为电感电流 的平均值为直流输入侧电流的一半,即为 ,2,则t3 时刻 的储能为: . =÷ (二 、÷,厶 出}=告 , o (4) (4)模态4( ,~t4)t 时刻,VS:由导通变为关 断,VS 保持导通。类似模态2,一方面J[,:的感应电 压和电源串联完成变压器初级的升压输出:另一方 双Boost逆变及用于高频链矩阵式逆变器 面 通过VS 进行储能。u。的表达式及 的储能同 样分别可类同由式(3),(4)的形式表示。 可见图4b,C中当变压器的输出电压为零时电 流却不为零,其原因是实际变压器中的漏感及回路 至此,完成了Boost CCM模式下的一个高频逆 变周期工作状态的分析,可知CCM模式下可实现升 电感储能所致,由此也从实验的角度证明了该拓扑 能够实现系统电流的安全流动;图4d。e为MC单 压及逆变功能.当开关频率较高时,两电感中的电流 可视为恒定,且两电流之和等于电源电流。 管的集射受压和基极驱动波形,可见受压均匀.无 过冲产生,说明此时系统换流安全:由图4f可见直 流输入侧电流有一定的波动,且其波动频率是升压 3实验验证 实验参数为:直流电压3O V;变压器变比1:1: 三相阻性对称负载R=30 n:Boost电路的开关频率 户50kHz,d=0.75,则由式(1)可得L0 14.063 I.zH,升 电感中电流波动频率的2倍;图4g所示三相输出 相电压波形的对称度良好,从而证实了所提拓扑的 可行性及方案的合理性。 压电感 =Lz=20ixH。图4示出实验波形。 4结 论 I、’ I、 垂霎 . .蚕 }I 、1 『_{ H { I_j.1 ¨ n I1 瞄 .双Boost型高频逆变电路具有结构简单、总开 关损耗低的特点。另外,通过适当的升压电感设计 和占空比大于0.5控制可保证新型Boost高频逆变 电路的高频升压输出,进而可降低高频链变压器的 匝比,减小其分布参数对系统的影响。由于双Boost 逆变电路实现的是DC/HFAC的能量变换.故该新 广 _ . r . 一/_ r呷1 1fgsVSI : r : : :,/(10 us/格) ~ (a) ̄ABoost单倚集射和 极电噩 芝 > r…0 ps/格) 《b)初级电压和电流 ffs 【l is ’ 、 - } II } 莲誓 >> r'、 __- lJ l ■ - .莲 型拓扑还可广泛推广到多种需要高频逆变交流的 电路中.可知对其工作特性的进一步研究具有一定 的实用价值。 ) / ̄ds VS ・: _ .T 广 』 乙 -』L.几 f/(10ms/格) UgSVS ,/(10 us/格) (c)次级电压1f¨电流 :(d)MC单竹工频刷期电压 整 > ’ 参考文献 [1】P M Espelage,B K Bose.High Frequency Link Power Con— 莲 >> 川 tt『I Il:, S 、・ 连 lL_ 《 —一 ~ 、 ・● I I } }a苦 g ̄vs version[J].IEEE Trans.on IA,1977,13(5):338—394. [2】张承慧,周廷,杜春水,等.基于FPGA的高频链逆变器 控制电路的设计【JJ.电力电子技术,2006,40(3):39—41. [3】缑黎明,吴保芳,赖向东,等.高频环及周波变流器组合式 三相变频器的分析[J].电力电子技术,1999,33(3):8-11. [4]孙向东,钟彦儒,任碧莹.一种新颖的高频环节DC/AC变 换器的控制方法研究fJ].电工技术学报,2003,18(6):19— 22.36. t'/(j0us/h%) (e)MC荦筒 高频开关刷期电 ,/f J0“s/格) (f]商流例输入 毡 IU流 [5】闫朝阳,李建霞,郑颖楠,等.基于SPWM调制的双Boost t/(5 ms/格) (g)三相输出卡f1电压 单级DC/AC电路研究叨.电力电子技术,2007,40(9):17— 18.95. 图4实验波形 (上接第12页)电网.电能质量高,是永磁同步风力发 电机并网的理想平台。 参考文献 【1】刘细平,林鹤云.风力发电机及风力发电控制技术综述【J].大 电机技术,2007,(3):7-19. [2】郭新生.风能利用技术【M].北京:化学工业出版社,2007. 【3】邱阿瑞,柴建云,孟朔,等.现代电力传动与控SEJ[M].北 京:电子工业出版社.2004. 4结 论 永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、 效率高的特点而在中小型风力发电机中应用广泛; AC/DC/AC方式的系统与电网并联运行由于采用频 率变换装置进行输出控制,因此并网时没有电流冲 击,对系统几乎没有影响。 【4]姜淑忠.空间矢量PWM算法的理解 伺服控制技术, 2006,2(1):38-40. f5]ZENG Q,CHANG L,SONG P.SVPWM—based Current Con- troller with Grid Harmonic Compensation for Three・phase 通过实验进行验证,经过上述变换后,输出信号 的相位、谐波、功率因数均满足设计要求,功率效率 高,并网输出电能质量好,是永磁同步风力发电机并 网的理想平台。 Grid-connected VSI[A].Proceedings of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference,PESC’04[C].Aro- hea,Germany,2004,(4):2494—2500.
发布者:admin,转转请注明出处:http://www.yc00.com/xiaochengxu/1690909087a460802.html
评论列表(0条)