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功率电感:软开关DC/AC逆变器的设计

来源:    作者:     发布时间:2014-10-29 20:41:13     点击数:
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2.3 电路特性讨论

  1)主电路中不需要任何电压/电流检测装置来实现开关管软开通。

  2)由于开关管实现软开关,所以逆变器的输出电压波形不会因为死区时间td的存在而发生畸变。

  3)不会因为同一桥臂的两个二极管的反向恢复电流而导致桥臂直通。

  4)控制电路采用单极倍频电压控制信号,主电路在一个周期中各个时间段过渡时,仅有一个开关管的状态发生改变,这就降低了在产生一定的脉波数时开关的动作次数,或者说用同样的开关频率可以把输出电压中脉波数提高一倍,这对减小开关损耗,提高逆变器的工作效率都是有好处的。

  5)在主电路的SPWM输出电压波形中,正向只有正电压脉冲,负向只有负电压脉冲,这对减小输出滤波参数,提高输出波形质量是有好处的。

  由于单极倍频SPWM软开关DC/AC变换器的超前桥臂控制信号与滞后桥臂的控制信号相差180°,所以超前臂的开关动作与滞后臂相对独立。这为各桥臂上的驱动信号相差120°的,三相逆变器电感换流调频软开关技术的进一步研究,打下了较好的基础。

  3 主要参数设计

  3.1 功率电感Lr1(Lr2)的设计

  由2.3的分析知

  ≥td(4)

  将式(1)代入式(4)并整理

  Lr2≤(1-α)(1+α-4fctd)(5)

  3.2 电容C功率电感企业r1(Cr2)的设计

  由2.2的工作过程分析可知,在缓冲电容C3及C4充放电时间很短的情况下,图1等效拓扑如图4所示。

  

  图4 等效电路拓扑

  根据等效拓扑,有式(6)成立

  di3/dt=(ED-vCr2)/Lr2;dvCr2/dt=iLr2/Cr2(6)

  进一步得到i3的最大值为

  i3max=ED/4fcLr2(1+1/48fc2Lr2Cr2)(7)

  由式(7)可知,为了尽可能最大限度向负载传输能量,集电极电流i3应尽可能大,所以,Cr2越小越好。然而Cr2太小谐振阻抗太大,续流时电感器企业间太长,将影响驱动信号,开关管的占空比将严重丢失,输出功率降低。为兼顾二者,在实际中一般取1/48fc2Lr2Cr2≤0.1,所以

  Cr2≥5/24fc2Lr2(8)

  3.3 缓冲电容C1(C2,C3,C4)的设计

  当缓冲电容C1太大时,充放电时间常数较长,若充放电时间大于死区时间td,将产生桥臂直通现象。为确保此现象不发生,所以缓冲电容取值不能太大。

  由式(2)有

  ≤td(9)

  当sinωt=1时iL2最小,式(9)的左边最大,将式(1)代入(9)有

  C1≤td(10)

  4 实验波形及结语

  依据上述分析和参数设计,以图1为主电路进行了实验。具体线路参数为:开关频率f=12.5kHz,主功率管选用1MBH60D-100型号的IGBT,调制比α=0.8,缓冲电容C1=C2=C3=C4=18nF,Cr1=Cr2=16.7μF,Lr1=Lr2=80μH,Lf=1.0mH,Cf=18μF,RL=10Ω。图5-图8为实验所得波形。

  

  图5及图6给出了主电路中开关管的管压降和驱动信号的波形(图中:1—驱动信号波形,2—开关管管压降波形),图7给出了硬开关DC/AC变换器的输出电压波形,图8给出了软开关DC/AC变换器的输出电压波形。

  由图5及图6可知在开关管的驱动信号到来之前,开关管两端的压降已为零,开关管实现了零电压开通;驱动信号关断后,开关管两端的电压还维持于零,开关管实现了零电压关断。

  由图7及图8可知在未实现软开关时,主电路的输出电压波形质量较差,并且有较大的“毛刺”(开关管在进行开关动作时产生),这些“毛刺”的存在将对电路自身和周围其它电路和用电器产生严重的电磁干扰(EMI);在加入软开关电路后,输出电压波形质量有了很大改善,并且无任何“毛刺”,较好地抑制了电磁干扰(EMI)。


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