如何设计1000VA高频链逆变电源

怎么规划1000VA高频链逆变电源
时刻:2013-1-7 18:00:00 来历: 点击数:1006

    中华电源网讯:

高频链技能是指使用高频开关技能使阻隔耦合变压器完成高频化、小型化、无噪声化的技能。因为
U=4.44fNBS
式中:U为正弦电压有效值(V);
f为正弦电压频率(Hz);
N为绕组匝数(匝);
B为铁心磁通密度(T);
S为铁心的横截面积(m2)。
所以,当电压和铁心资料选定时,f与NS成反比,即f越大,NS越小,这样就能够到达减小变压器的体积和分量的意图。
   
这篇文章对于电气化铁路中广泛使用的25Hz逆变电源进行了高频链规划。
主电路的规划
   
跟着高频链技能的不断老练,现在从布局上首要分为二类,即高频链DC/DC改换型和高频链周波改换型。
   
高频链DC/DC改换型就是在传统逆变电源的直流侧和逆变器之间参加一级DC/DC改换器,因为DC/DC改换器选用的是高频改换,所以电路中运用的是高频变压器,这样就能够省掉体积巨大的工频变压器,其电路布局如图1(a)所示。尽管DC/DC改换型完成起来对比容易,可是存在功率只能单向活动,负载不能向电源回馈能量;三级功率改换,既使得体系效 率低,又使得体系杂乱,然后降低了体系的可靠性等缺点。
   
高频链周波改换型首要由高频电压源逆变器、高频变压器和周波改换器构成,其电路布局如图1(b)所示。与高频链DC/DC型对比,该逆变器完成逆变只经过两级功率改换,降低了改换器的通态损耗和体系的杂乱性,进步了体系的功率和可靠性,并且功率能够完成双向活动。这篇文章介绍高频链周波改换型的主电路规划 。

 

(a)高频链DC/DC改换型

 

(b)高频链周波改换型
图1 :两种高频链逆变电路  
详细完成时,高频逆变器能够选用推挽式、半桥式和全桥式,周波改换器能够选用全波式、全桥式。考虑到输出电压和功率的规划要求,最终断定的电路布局如图2所示。图中,Ui为输入直流电压,S1、S2、S3、S4构满足桥逆变器,T为高频变压器,K1、K2、K3、K4是由2个反向串联的MOSFET构成的双向开关,一起构满足桥式周波变化器,L、C构成LC滤波器。

 

图2:主电路的电路布局
操控办法及其完成
   
这篇文章的高频链周波改换型选用移相操控计划,移相操控是这些年在全桥改换电路拓扑中广泛使用的一种操控方式。移相操控的根本作业原理为,全桥改换电路每一个桥臂的两个开关管互补导通,两个桥臂的开关管导通之间相差一个相位,即所谓的移相角。经过调理此移相角的巨细,来调理输出电压脉冲宽度,到达调理相应的输出电压的意图。
   
体系作业原理如图3所示,输入的220V/50Hz沟通市电经过整流滤波后成为300V左右的直流,然后经过全桥逆变器的高频逆变,输出25kHz相邻脉冲互为反极性的SPWPM(正弦脉宽脉位调制)波,该波形富含SPWM波的悉数信息,但不含25Hz调制波的频率成分,适合于高频变压器传输。SPWPM波经过高频变压器阻隔后,用周波改换器同步整流,把25Hz正半周时刻内的负脉冲翻转成正脉冲,把25Hz负半周时刻内的正脉冲翻转成负脉冲之后,将得到25Hz的单极性SPWM波(如图3中uA′B′所示波形)。SPWM波经过LC滤波,则输出润滑的220V/25Hz的正弦沟通电压。

 

图3:主电路的开关时序
为了完成上述的移相操控战略,这篇文章选用了用模仿电路完成PID调理,用数字电路CPLD(杂乱可编程逻辑器件)来完成驱动信号的时序和逻辑操控的规划办法。这种办法使得整个操控器的集成度进步,可靠性增强,并且为操控电路的规划供给了必定的灵活性。整个操控环节分为内环和外环两条操控电路,内环为电压瞬时值份额(P)调理,外环为电压平均值的份额积分(PI)调理。因为内环呼应速度快,能够改进电压的瞬时动摇形成的波形畸变,外环能够使整体的稳压的特性变硬,然后到达杰出的稳压效果。
   
详细完成上如图4所示,输出电压Uo经过反应变压器改换得到反应电压,再经过精密整流电路后,与5V的参阅电压相减,得到的差错进行PI调理,然后与基准正弦半波相乘得到内环瞬时电压差错的正弦参阅电压;内环的瞬时电压反应信号经过份额环节后,与参阅电压相减,得到差错信号,差错信号再经过P调理就直接与三角波对比,产正SPWM波,然后输入CPLD中,经过CPLD发生MOSFET的驱动信号,其间选用VHDL(硬件描绘言语)编程来完成图4中虚框所示的功用——分频器、地址发生器、对比器和时序逻辑发生器。

 

图4:操控电路图  
如图3所示这篇文章选用的是用等腰三角波来完成双方调制。国外许多高频链规划中一般选用的是锯齿波完成单边调制,其直边用于同步开关时序,斜边用于脉宽调制,而在实践使用中,这种办法存在锯齿波的直边不能彻底笔直而带来的开关时序同步疑问。这篇文章所选用CPLD进行时序规划的办法,从根本上处理了开关时序同步的疑问。
规划中大概留意的几个疑问
变压器的规划
   
变压器规划是整机规划中重要的一环,规划的好坏对整机的功能有很大的影响。因为所规划的变压器是高频变压器,因而,磁芯资料选用铁氧体。经过核算AP值的办法来核算变压器磁芯标准和原副边匝数后,还应留意以下几点:
1)经过试验重复修正断定最好的参数;
2)尽量选用多股线,削减趋肤效应;
3)尽量将副边绕制在内层,原副边严密绕制,以减小副边的漏感。
抗偏磁饱满
   
为了避免变压器的偏磁饱满,一方面,调整驱动脉冲死区,选择开关特性一致的功率开关管;另一方面,在变压器的原边串联隔直电容。有关几个参数的核算公式如下:
 


吸收电路的规划
   
因为电压源高频链逆变技能存在固有的电压过冲疑问,因而怎么规划吸收电路,对维护功率开关管尤为重要。这儿给出简便的规划办法。
 


死区时刻和共态导通时刻
   
为了避免全桥逆变电路一个桥臂中的上下开关管一起导通而出现直通的状况,需要在全桥逆变电路的驱动中参加死区时刻。一起,为了确保当开关管换流时,滤波电感中的电流有续流通路,要在周波改换器的驱动中参加共态导通时刻。可是因为共态导通时刻也形成了变压器副边刹那间短路,将发生一个很高的电流尖峰,所以共态导通时刻不宜设置过长,为此,在变压器副边串入小电感来按捺电流尖峰。
仿真及其试验波形
   
这篇文章使用MATLAB6.1供给的SIMULINK工具包对整个体系建立了仿真模型进行仿真。仿真模型参数:输入直流电压300V,输出沟通电压220V,25Hz,额外容量1000VA,开关频率25kHz,变压器变比1/1.4,输出滤波电感L=0.5 mH,输出滤波电容C=20μ F额外负载R=45Ω。仿真波形如图5所示 。

 

(a)变压器原边电压波形

 

(b)变压器副边电压波形

 

(c)空载输出电压波形

 

(d)带载输出电压波形
图5:仿真波形
原理样机的试验波形如图6所示。

 

(a)变压器原边电压波形100V/Div 20μs/Div

 

(b)变压器副边电压波形125V/Div 20μs/Div

 

(c)空载电压波形100V/Div 10ms/Div

 

(d)满载电压波形100V/Div 10ms/Div
图6:试验波形
选用周波改换器高频链技能完成的逆变电源电压输出特性杰出,相对于传统的逆变电源具有分量轻、体积小、低噪音、成本低的许多优点,具有较高的实用价值

 

 


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