基于软开关技术的高频链并联逆变器的设计

李先祥，李益海，王宪生

(1.佛山科学技术学院 机电与信息工程学院，广东 佛山 528000；2.华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510640)

基于软开关技术的高频链并联逆变器的设计

李先祥1，李益海2，王宪生1

(1.佛山科学技术学院 机电与信息工程学院，广东 佛山 528000；2.华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510640)

软开关技术和并联控制技术是当今逆变器技术发展的重要方向。针对逆变器软开关技术、无连线并联技术展开相应研究，设计了基于DSP的高频链逆变电源。所设计的高频链逆变电源采用全桥全波式拓扑结构，主电路由全桥逆变部分、高频变压器、周波变换器以及输入、输出滤波部分构成，实现了逆变器的零电压零电流软开关。系统采用改进的PQ算法实现了逆变器的并联控制，从而有效的解决了基本PQ下垂法在非线性负载时均流效果差的缺陷。仿真实验结果表明，该软开关并联逆变器系统设计合理可行、性能稳定、可靠，具有良好的动态和稳态性能。

高频链；并联逆变器；软开关

0 前言

随着现代通信技术、计算机网络和各种先进的制造技术的迅速发展，对供电电源的质量和性能的要求越来越高。逆变器的并联运行，可以实现大容量供电和冗余供电，是现代开关电源的重要发展方向。利用高频链技术，减小变压器和电磁元件的体积、质量，结合软开关技术减小开关器件在开关过程中的损耗，提高逆变器的工作效率，从根本上提高了逆变器可靠性，降低成本，提高功率密度，从而到达各种现代先进技术对供电电源可靠性和供电质量的要求。

在此利用DSP设计了一种基于软开关技术的高频链并联逆变器。描述了高频链并联逆变器控制系统，对高频链逆变器的软开关技术进行详细的分析，采用改进的PQ法和基于电流分解的无连线并联算法实现逆变器模块间控制。仿真实验结果表明，该系统最大限度地实现了逆变器的软开关，设计并联算法达到了理想的并联控制效果，具有良好的控制性能。

1 系统结构

基于软开关技术的高频链并联逆变器系统框图如图1所示。主电路由整流电路、软开关逆变器、高频变压器、周波变换器、滤波电路五部分组成。整流电路将输入交流电压整流输出直流电压。软开关逆变器利用正弦脉宽调制方式对直流电压进行斩波，将直流电压逆变输出成20 kHz双极性高频脉冲信号序列；采用FB ZVZCS－PWM软开关变换器，滞后臂的开关管IGBT3、IGBT4实现ZCS，超前臂开关管IGBT1、IGBT2实现ZVS，从而提高了整个电路的效率。高频变压器实现电隔离和电压的变换，实现功率的双向流动。周波变换器将双极性高频脉冲信号序列变换成单极性SPWM脉冲序列，即将50Hz正半周期的负脉冲翻转成正脉冲，把50 Hz负半周期的正脉冲翻转成负脉冲，得到50 Hz单极性SPWM波。滤波电路消除SPWM波高频分量，得到高质量的正弦波。

图1 系统结构框图

系统采用TMS320LF2407A数字信号处理器进行控制。系统采用双环控制策略，内环是电流环控制，提高系统的动态性能；外环是电压环控制，改善输出电压的波形，使系统具有较高的输出精度。并联控制采用改进的PQ算法，采样电感电流和电容电压，计算出有功功率P和无功功率Q，经改进的PQ算法调节后，得到参考电压。参考电压与采样电压比较后，经过PI调节，得到参考电流。参考电流再与采样电流比较，经过比例放大后，与DSP产生的锯齿波比较，产生各个IGBT的驱动信号。

2 高频链逆变器零电压零电流(ZVZCS)软开关的实现

本高频链逆变器采用移相全桥ZVZCS逆变器结构，能够使逆变器滞后臂上的主开关管(IGBT3、IGBT4)达到零电流开关(ZCS)，超前臂上的主开关管(IGBT1、IGBT2)仍然处于零电压开关(ZVS)。主电路中的高频变压器实现电压波形的隔离和放大。各开关模态的工作波形如图2所示。

图2 开关驱动信号波形

(1)模态 1(t1～t2)。

在t1时刻，IGBT1和IGBT4导通，并让IGBT5提前导通，输出电压为正，变压器一次侧向二次侧传递能量。一次电流流经IGBT1、Cb、高频变压器一次侧和IGBT4。此时一次电流Ip一方面通过变压器一次侧将电能传输到负载，另一方面给阻断电容Cb充电，电容Cb电压线性增加。t2时刻，阻断电容上的电压为

式中 UCbp为阻断电容电压UCb的峰值，n为变压器变比，Io为输出电流。

(2)模态 2(t2～t3)。

超前臂IGBT1于t2时刻关断，一次电流Ip从IGBT1中转移到 Cl、C2支路中。Cl充电，C2放电，电流方向不变，继续给阻断电容Cb充电。因为电容上的电压不能突变，所以开关管IGBT1是零电压关断。C2电容上的电压Uc2可以近似认为在恒流作用下线性下降。即

在时刻t3，C2的电压下降到零，IGBT2的反并二极管VD2导通。然后VD2和IGBT4形成环流，IGBT2零电压开通。

(3)模态 3(t3～t4)。

VD2导通后，IGBT2零电压开通，此时在IGBT2和IGBT4间形成环流，将电压Uab箝位在零，变压器停止传输功率。电流缓慢减小，滤波电感向负载释放储能。阻断电容Cb上的电压上升到Ucbp。由于Cb足够大，因此在这个时间段其上的电压Ucb＝Ucbp可近似看作不变。由于电压Uab＝0，故阻断电容电压Ucb全部加在谐振电感上，

t4时刻，一次电流Ip衰减到零。

(4)模态 4(t4～t5)。

t4时刻后，一次电流Ip衰减到零后，饱和电感退出饱和状态，呈现出较大的电感量。在这个时间段，阻断电容上的电压保持不变，开关管IGBT4仍然保持Ip导通，但是已经没有电流流过。由于一次电流为零，a点对地的电压Ua为零，b点对地的电压为Ub＝－Ucbp。t5时刻，IGBT4在零电流状态下关断。

(5)模态 5(t5～t6)。

阻断电容上的电压维持不变，主电路中的电流为零。由于变压器一次侧无电流流过，电路处于开路状态。这个时间段实际上是滞后臂开关管状态转换之间的死区时间。在t6时刻，开关管IGBT3导通后，由于此时饱和电感尚未进入饱和，一次电流Ip不可能突变，需要经过一定的时间才能迅速上升，因此IGBT3的导通为零电流导通。IGBT3导通后，在阻断电容电压和输入电压的共同作用下饱和电感很快又进入饱和区。由于漏感很小，因此一次电流Ip在这两个电压的共同作用下迅速线性上升，即

(6)模态 6(t6～t7)。

变压器一次电压极性相反，电流Ip以负斜率下降。IGBT2、IGBT3导通后，一次电流瞬时仍保持为零，随后一次电流增大，阻断电容Cb上的电压Ucb将由正向负逐渐减小，变压器一次侧向二次侧传递能量，开始下半个对称周期。t7时刻，阻断电容上的电压为下一次IGBT3零电流关断和IGBT4零电流开通做准备。t7时刻，IGBT2关断，之后 C1放电，C1谐振放电到零，IGBT1实现零电压开通。

3 逆变器并联控制算法的设计

高频链逆变器并联控制系统的性能主要体现在逆变器稳定后的均流误差越小越好，另外是动态性能，如一台新的逆变器并入或退出后各逆变器电流响应、负载切换时各逆变器的电流响应等。为了提高并联逆变器的动态性能,提高线性负载和非线性负载的均流效果，本系统在经典PQ算法的基础上设计了一种改进的PQ控制算法，其控制方程为

式中 ω 为频率；U为电压有效值；P为有功功率，Q 为无功功率；m、mp、md、n、nd为系数。

积分项的引入既改善了系统的稳定性，同时对非线性负载也有一个好的均流效果。微分项的引入可以改善系统的动态响应。改进的PQ控制算法实现的方框图如图3所示。

图3 改进PQ法实现方框图

由上述分析可知，实现PQ算法需要计算各并联模块有功功率和无功功率。对于非线性负载，负载的电流是非线性函数，含有直流分量、有功电流分量、无功电流分量以及谐波分量，如式(3)所示。为了准确计算各并联模块有功功率和无功功率，需要对负载电流进行分解

将式(3)进一步变换得到式(4)。cos(ωt)就是与输出电压同相位的标准正弦波。

从式(4)可以看出，直流成分与有功电流的幅值Ip成正比，因此，可以使用一个低通滤波器(其频率低于ω)来获得有功电流的幅值Ip，将它乘以与电压同相位的单位正弦，就可获得瞬时有功电流的预测值ip(t)，从实测的负载电流中减去预测的有功电流ip(t)，就可得到需要的参考电流iF(t)。同理也可得到无功电流分量。电流分解示意如图4所示。

图4 电流分解示意

4 系统仿真分析

利用Pspice、Matlab软件对软开关高频链逆变器并联控制系统进行仿真和实验，两台逆变器并联参数为：输出电压220 V，频率50 Hz，输出最大功率1 kVA。

图5为超前桥臂IGBT1的零电压开关仿真波形。IGBT1和IGBT2都是超前臂，它们的工作状态分析是相同的。从图中可知，超前臂是零电压开关，开关驱动波形的开通和关断时刻，开关管C极和E极之间电压为零。图6为滞后臂IGBT3的零电流开关仿真波形。滞后臂IGBT3和IGBT4的工作状态分析是相同的。可以看出滞后桥臂实现了零电流开关，在开关管的开通和关断时刻，开关管C极的电流为零。从上述分析可以看出，变压器一次侧加阻断电容和饱和电感的全桥ZVZCS逆变器具有较高的软开关特性，超前臂开关管为零电压开关，开通损耗近似为零。滞后臂开关管实现零电流开关，使开通损耗几乎为零。

图5 超前臂电压波形和驱动波形

图6 滞后臂电流波形和驱动波形

图7为两逆变器同时工作后，其中一台逆变器A退出，另一台逆变器B继续工作，然后逆变器A又重新加入工作的逆变器输出电流波形。逆变器A和B的输出电流分别为IA和IB。仿真实验波形说明两逆变器电流幅值基本相等,均流效果很好；当逆变器切换时，输出电流能较快地进行调整，响应速度快，系统有很好的动态特性。

5 结论

设计了一种基于软开关技术的高频链并联逆变器。逆变器采用了高频链软开关拓扑结构，实现超前臂的零电压开关和滞后臂的零电流开关。同时，整个拓扑结构简单，双向的功率流，双高频变压器结构，具有高频电气隔离的优点。逆变器的并联控制算法采用改进的PQ算法，在经典PQ算法的基础上增加了微分和积分环节，使系统的动态响应更好。系统采用高性能的DSP进行检测、控制，同时具有故障诊断、保护、报警等功能。仿真实验结果表明，该系统最大限度地实现了逆变器的软开关，设计并联算法达到了理想的并联控制效果，具有良好的控制性能。

图7 并联逆变器的电流波形

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High-frequency link parallel inverter based on soft-switch technology

LI Xian-xiang1，Li Yihai2，Wang Xian-sheng1
(1.School of Mechatronics and Information Engineering，Foshan University，Foshan 528000，China；2.School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Soft-switching technology and parallel control technique is considered an important development direction of today＇s inverter.This paper studies soft-switching technology，digital control technology and non-connected in parallel,developes high-frequency link inverter power source based on DSP.The inverter adopts full-wave full-bridge type topology.The main circuit is composed by the fullbridge inverter，high-frequency transformer，frequency converter and the input and output filter components.The full-bridge inverter achieves the zero-voltage zero-current soft-switching.The controller uses the modified PQ technology based on the current disintegration.So the inverter overcomes the limitation of bad current sharing in nonlinear load.The results of MATLAB and PAPICE simulation on the system show the system design has achieved an ideal parallel operation results and the waveform of simulation prove the parallel inverter has good performance.

high-frequency link；parallel inverter；soft switch

TG434.1

A

1001－2303(2011)03－0015－05

2010－02－09

广东省自然科学基金资助项目(06029437)

李先祥(1965—)，男，安徽怀宁人，教授，，主要从事电力电子传动方向的研究工作。