基于高频环整半周控制的交交变换器研究

何 伟，张福生，牛影赞，罗 帅

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

单相高频交流环功率变换装置可以将频率固定的单相高频交流电压合成幅值和频率可调的低频电压信号，为了提高效率，整个变换过程必须一步完成。传统的AC-AC变换器是通过相角控制完成一步变换，当频率较低时，相角控制可以合成低失真的信号。如果频率较高时，每次开关过程就会瞬间产生高电压和大电流，使开关管损耗急剧增大[1-3]。此外，相角控制的另一缺点是导致整个高频系统波形严重失真。目前研究者们不断探究新的控制方法来减小高频下电能转换过程中的损耗，其主要思想是将PWM技术与谐振软开关技术相结合[4]，它的局限是使得电路成本及体积增大，且谐波含量较高。针对这一情况，采用一种新型控制方法实现一步合成低失真的交流信号，低频输出直接由高频输入的整半周组成，开关可实现零电压切换，即高频环整半周调制技术[5]，有效地减小了开关损耗，输出谐波分量较小，大大提高了整机的效率。该方法的提出拓宽了对AC-AC变换器研究的手段，提高了这一技术的研究水平，为后续研究者提供一种新思路。

1 高频环整半周调制技术

1.1 高频环整半周电路工作原理

图1 主电路结构图

高频环整半周调制技术总体上来讲是一种零电压技术，输入为单相高频正弦交流电压，输出为低频正弦交流电压，开关可实现零电压切换。控制每个高频半周是正值、负值或零值就可以控制输出低频电压的大小和频率。主电路结构如图1所示。频率为20 kHz，输出为220 V/50 Hz。前级全桥逆变经LC谐振网络后通过高频变压器将能量传递到后级电路，文献[6]中证明通过高频变压器后可输出标准的高频正弦交流信号，这里将高频环整半周调制策略运用于后级电路实现AC-AC零电压转换。

图2 高频环整半周变换电路

1.2 高频环整半周技术调制策略

高频变压器副边为高频环整半周变换电路，可等效为图2结构，这里可将高频交流电压看做2个相同的理想电压源，大小都为UTH/2。电路的上下2个桥臂各由2个开关管串联组成，与之并联的二极管用以实现电流的双向流动。该策略采用零电压技术，器件的开关选择在电压UTH的过零点，所以电压UTH的半周期就成为合成输出低频信号的最基本单元，高频环整半周电路的控制方法采用离散半周期调制。

下面分析高频环整半周调制策略，高频环整半周控制原理如图3所示。

图4 低频交流输出的同步调制波形

由高频环整半周调制策略后可知，输出的电压波形是由许多输入的高频正弦半波脉冲组成。由于开关管在高频正弦电压过零点进行切换，因此，从理论上讲开关损耗可以降到最小或者为零，这样传统硬开关所面临的问题就可以解决。图4所示为低频交流输出的同步调制波形。

1.3 整半周脉冲调制技术理论推导

电压合成脉冲整半周调制关系式为

(1)

若参考信号是直流电压，从电压时间面积表达式可以求出直流参考信号的最大值为

(2)

由式(2)可知，直流参考信号的最大值可由输入高频电压合成。低于该值的直流电压可表示为

(3)

式中，m为调制系数，m=Ud/Udmax，取值范围为0～1之间；UTH为电压峰值。

本文频率为20 kHz，电路合成电压时，式(2)基本上是成立的，这是因为参考信号对于高频脉冲来说，它的变化非常缓和，可以看做常数。在一段很小的区域内，可以看做面积平衡原则与直流电压合成的情况一样。而且，频率越高，近似度越好。当合成的频率远远小于高频环节的频率时有

(4)

对于上述电压方程，忽略电压时间面积差。该电路中假设ΔA为高频电压某半个周期的电压时间面积，那么

(5)

式中，fTH为环节频率。

(6)

式中，|ΔA*|为同一高频时间间隔参考电压下的面积。

(7)

由式(4)和式(7)可知，最大误差满足

(8)

(9)

(10)

从上述理论推导可以看出，当合成频率的大小远小于高频环节的频率时，面积误差越小，合成的波形质量越好。因此应尽量选较大的环节频率以及较高的调制系数，这样便可得到低失真的输出信号。

2 高频环整半周控制方法研究

2.1 各开关管工作模式分析

通过对上述高频环整半周调制策略的研究可知，采用一种合适的控制方案可使电路工作在软开关环境，减小系统损耗，提高整个装置的工作效率。

对于高频电源为交流信号的特性，开关管的控制可以分为4种情况，其中箭头方向表示电流的方向。

(1)当E(t)>0，UTH/2>0时，控制S5，D6导通，此时UaN>0，电流回路工作模式1如图5所示。

图5 电流回路工作模式1

(2)当E(t)>0，UTH/2<0时，控制S7，D8导通，此时UaN>0，电流回路工作模式2如图6所示。

图6 电流回路工作模式2

(3)当E(t)<0，UTH/2>0时，控制S8，D7导通，此时UaN<0，电流回路工作模式3如图7所示。

(4)当E(t)<0，UTH/2<0时，控制S6，D5导通，此时UaN<0，电流回路工作模式4如图8所示。

图7 电流回路工作模式3

图8 电流回路工作模式4

2.2 高频环整半周电路软件控制实现方法

图9 高频环整半周控制流程图

后级高频环整半周控制电路的驱动信号通过高频环整半周控制计算及相位调制跟踪来确定，然后由PWM口控制输出。根据高频环整半周控制原理得控制表1。SH为高频环整半周变换器同一半桥上桥臂开关状态，SL为高频环整半周变换器同一半桥下桥臂开关状态。其中“1”表示导通，“2”表示截止。

表1 高频环整半周控制表

2.3 高频环整半周控制电路仿真实验

为了验证上述理论分析的正确性，这里对高频环整半周电路控制策略进行闭环仿真，在Simulink中搭建高频环整半周控制模块仿真模型。如图10所示。

图10 高频环整半周控制模块仿真模型

从高频环整半周电路的控制模块看出，将参考电压与反馈电压做比较后，通过误差积分器得到误差信号，将这个误差值输入到高频环整半周调理模块进行运算，最后通过门逻辑单元处理后控制开关管，通过该控制策略得到一个最佳的匹配脉冲序列。通过该控制策略可实现零电压转换，有效地减小开关损耗。图11为高频环整半周电路输出电压波形，图12为高频环整半周电路输出电压局部放大波形。

图11 输出电压波形图

图12 输出电压局部放大波形图

由图11可知，经高频环整半周电路变换后输出电压波形为一系列单极性的高频正弦波形，此时通过滤波器后产生50 Hz交流正弦波形。仿真波形验证高频环整半周调制理论的正确性。

3 高频环整半周波形的频率谱分析

3.1 数学模型及谐波分析

本节建立该变换器的数学模型，探索其输出特性，对其进行谐波分析[7-8]，这里以电压谐波为例来分析。

图13 变换器网络模型

为方便分析，需建立理想的数学模型，认为高频交流电压UTH为理想电压源，高频环整半周变换器的损耗忽略不计。根据电网络理论，将高频环整半周电路等效为图13所示网络结构。

在图13中，UTH(ωt)为输入电压信号，U0(ωt)为输出电压信号，S(ωt)为开关函数。输出电压可表示为

U0(ωt)=UTH(ωt)·S(ωt)

(11)

输出电压UaN可表示为

UaN=UTH′(ωst)S(ω0t)

(12)

将高频电压表达式进行傅氏变换得

(13)

将开关函数的表达式进行傅氏变换得

(14)

由式(12)和式(14)可求得

式中

(16)

负载上的电压为

(17)

从式(17)可以看出，高频环整半周输出电压波形的谐波角频率为

ω=nωs+mω0

(18)

式中，ωs为开关频率；ω0为输出频率。

从式(15)可以看出，第一项为基波以及基波的基次谐波分量，基波幅值为(8/π2)UTHm，随着m的增大低次谐波的幅值会逐渐减小。第二项为高次谐波分量，它的幅值同时与m值和n值有关，且随着m值和n值的增大而迅速减小。各项谐波分量集中在电源频率与基频的周围及其倍频处附近，且低次谐波起主要作用。该变换器的电流谐波与电压谐波类似，且阶次相同，这里不再赘述。此时，经过高频环整半周变换器后,输出一系列由高频脉冲拼凑而成的单极性波形。这时，可在高频环整半周变换器的输出端接低通滤波电路，通过滤除谐波成分可得到纯净的正弦波形。

3.2 仿真验证与分析

图14 输出电压与电流波形

采用Matlab仿真软件对所建模型进行仿真验证，输入电压DC 48 V，开关频率20 kHz，输出电压AC 220 V。图14为输出电压与电流波形。

从仿真图可看出，输出电压和电流相位一致，电路中谐波分量较小，波形质量较高。为了验证输出电流中不含高次谐波成分，这里对电感电流进行仿真验证。如图15所示。

由电感电流仿真图15可以看出，流过滤波电感的电流波形平滑稳定，通过局部放大波形可以看出,电流存在波峰和波谷，由此可计算出其纹波系数为0.5%,小于等于15%。输出波形质量较好。

图15 输出滤波电感电流波形

图16 实验平台

4 实验结果与分析

在上述论述和仿真的基础上对其进行实验研究，控制及运算电路使用的是以STM32F103VET6为核心处理器的ARM控制板[9]。实验平台照片如图16所示。设计的输入直流电压48 V，交流侧输出电压220 V/50 Hz，额定功率800 W，开关频率20 kHz。测量不同条件下变换器输出波形，并与仿真结果进行比较，验证高频环整半周控制策略的可行性。

4.1 系统闭环实验波形及分析

为了验证闭环情况下的输出特性，测得改变阻抗及负载特性时输出电压、电流波形如图17～图20所示。

图17 额定负载下输出电压、电流波形

图18 负载减小一半时输出电压电流波形

图19 容性负载时的电压、电流输出波形

图20 感性负载时的电压、电流输出波形

从图17、图18可看出负载骤减后，变换器的输出电压峰值仅仅存在微弱的下降，并未发生明显变化，说明采用高频环整半周策略调制下的变换器适应负载变换能力较强。

从图19、图20中可以看出，采用高频环整半周策略调制下的变换器可以很好地适应不同负载特性。

图21 效率曲线

4.2 效率分析实验结果

图21为软开关与硬开关工作下效率曲线，可以看出，在输出功率300～800 W范围内，采用高频环整半周调制策略(软开关)下变换器的效率要高于传统调制策略(硬开关)下变换器的效率。在输出功率为500 W时，逆变器的整体效率从硬开关的88%提高到96%，较高的效率验证了高频环整半周调制策略的可靠性。

5 结论

高频环整半周调制策略采用零电压技术和周波密度调制技术，具有高频率、高效率、小体积、低损耗等优点。采用该调制技术可以将高频电压低失真地合成低频电压，有效地克服相角控制以及传统硬开关控制的缺点，谐波分量较少，可输出稳定平滑的正弦波。此外，通过仿真及实验对变换器性能进行验证，结果表明，使用该策略调制下的变换器带载能力强，而且可以实现零电压切换，对开关管损耗问题解决有重要意义。随着高频技术的不断发展和谐振变换器的不断普及，高频环整半周变换技术应用将不断扩大，对其进行深入研究具有广泛的现实意义。