一種大功率能量回饋裝置的實(shí)現(xiàn)方法

柯萬宇，褚仁林，湯前進(jìn)，吳 慧

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

推挽電路作為DC/DC、DC/AC及AC/AC變換器的拓?fù)渲?，結(jié)構(gòu)簡單，變壓器雙向勵(lì)磁[1]，利用率高，適用于低電壓輸入的中小功率場(chǎng)合。推挽架構(gòu)的電路常用于3 kW以下的中小功率電源。在大于3 kW及其以上功率電源中，通常前級(jí)以全橋轉(zhuǎn)換，再經(jīng)次邊整流電路，給后級(jí)的電路逆變輸出，控制電路較復(fù)雜。推挽電路經(jīng)過了一系列演變，如串聯(lián)諧振方式[3]和推挽變形方式[4-5]。為實(shí)現(xiàn)大功率閉環(huán)控制，串聯(lián)諧振方式需加一級(jí)穩(wěn)壓，以使推挽電路更好地工作在諧振狀態(tài)。推挽變形方式比較適合開環(huán)控制，且受其他離散參數(shù)的影響，導(dǎo)致其無法被設(shè)計(jì)人員采用。本文介紹了一種基于一級(jí)變換的推挽逆變電路的控制方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中逆變電路功率轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)較多、折算效率低的問題。

1 推挽逆變電路組成的能量回饋裝置

本設(shè)計(jì)以推挽拓?fù)浼軜?gòu)的電路實(shí)現(xiàn)14 kW的能量回饋裝置，如圖1所示。

圖1 推挽逆變電路的組成的能量回饋裝置

將直流源中的能量回饋到電網(wǎng)。推挽電路用于將外部的DC直流源中的直流電壓接入至主功率管，在外部邏輯控制電路的控制下，使主功率管輪流導(dǎo)通，使得DC直流源中的能量經(jīng)變壓器進(jìn)行高頻隔離轉(zhuǎn)換?；ユi電路接收邏輯控制電路發(fā)出的SPWM波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)推挽電路主功率管的控制信號(hào)互鎖功能。鉗位回饋電路是吸收變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰，按照一定邏輯時(shí)序?qū)⑼仆熘鞴β使艿拈_關(guān)尖峰和漏感產(chǎn)生的能量回饋到DC直流源端。整流濾波電路是將變壓器次邊的能量按全橋整流方式進(jìn)行濾波。換相回饋電路是將整流濾波后的半正弦波按電網(wǎng)頻率和相位回饋電網(wǎng)。邏輯控制電路是接收回饋電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)，分配邏輯時(shí)序給推挽逆變電路和換相回饋電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。圖2是推挽逆變電路組成的能量回饋裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

2 能量回饋裝置的硬件設(shè)計(jì)和控制方法

本設(shè)計(jì)實(shí)例提供的推挽逆變電路通過調(diào)整單極性SPWM的占空比驅(qū)動(dòng)推挽管，將輸入的DC直流源通過高頻變壓器隔離變送到整流換相電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整流濾波后的正弦半波經(jīng)4個(gè)可控器件按電網(wǎng)頻率同相導(dǎo)通，還原成正弦波回饋到電網(wǎng)。換相控制頻率為50 Hz方波控制，開關(guān)損耗低，效率高。在每個(gè)橋臂都串接二極管，可很好地抑制在并網(wǎng)回饋中因電網(wǎng)頻率抖動(dòng)或其他因素產(chǎn)生的環(huán)流。在作為逆變器或UPS輸出時(shí)，可省略換相回饋電路中橋臂上串接的二級(jí)管，以節(jié)省成本。

本設(shè)計(jì)實(shí)例也可作為UPS和交流逆變器的老化裝置，只需將UPS或交流逆變器的輸出經(jīng)整流濾波后送到推挽逆變電路的輸入端即可。圖3是推挽逆變電路的具體電路。

圖2 推挽逆變電路組成的能量回饋裝置結(jié)構(gòu)

圖3 能量回饋裝置的具體電路

3 工作原理

推挽逆變電路，如圖3所示。由功率管Q1、Q2及變壓器T1組成推挽主功率部分；D1、D2、C1、Q5、D3和L1組成鉗位回饋部分；R1、R2、Q1和Q2組成互鎖電路部分；變壓器T1次邊是常規(guī)全橋整流濾波結(jié)構(gòu)；Q6、Q7、Q8、Q9和串接在橋臂上的二極管D4、D5、D6、D7組成換相回饋部分。

為進(jìn)一步說明本設(shè)計(jì)實(shí)例提供的推挽逆變電路，可結(jié)合圖4進(jìn)行詳述。采樣電路將電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)反饋給邏輯控制電路，在邏輯電路的控制下將全波的SPWM信號(hào)解調(diào)出單極性的SPWM波，經(jīng)過R1、R2送至推挽管Q1、Q2和Q4、Q3的柵極，如圖4（b）、圖4（c）所示。由于Q3、Q4的漏極直接連至推挽管的Q1、Q2的柵極，且Q1、Q2、Q3及Q4的源極都接至DC直流源的負(fù)端，保證了推挽管的SPWM信號(hào)的互鎖作用。D1、D2、C1、Q5、D3及L1組成鉗位回饋部分，圖4（d）是鉗位回饋電路中Q5的控制信號(hào)。在Q1、Q2推挽管關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通Q5功率管，即能將變壓器T1的漏感能量及推挽管Q1、Q2的開關(guān)尖峰有效地經(jīng)過Q5、D3及L1組成的BUCK電路反饋到DC直流源端，使能量二次利用，其中D1、D2及C1組成BUCK電路的輸入部分。推挽電路接收單極性的SPWM信號(hào)將DC直流源中的電壓經(jīng)過T1高頻變壓器轉(zhuǎn)換，在次邊的整流濾波電路的C2電容兩端還原成全波的半正弦電壓，如圖4（e）所示。全橋換相電路中的Q6、Q9及Q7、Q8按圖4（f）、圖4（g）留有0.2 ms死區(qū)時(shí)間的時(shí)序?qū)ǎ€原成與電網(wǎng)同頻同相的電壓回饋至電網(wǎng)M端、N端。過零處的死區(qū)時(shí)間和橋臂上串接的二極管保證能量可靠地回饋電網(wǎng)，防止產(chǎn)生環(huán)流[2]。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)14 kW的能量回饋裝置。

（1）直流輸入電壓調(diào)節(jié)范圍為198～256 V。

（2）直流輸入電流調(diào)節(jié)范圍為6～56 A。

（3）過、欠電壓保護(hù)性功能。當(dāng)輸入電壓超過額定值的±10%時(shí)，電源自動(dòng)保護(hù)，切斷電源輸出；當(dāng)交流電壓波動(dòng)范圍≤額定值±20 V時(shí)，負(fù)載電源自動(dòng)恢復(fù)工作。

（4）直流輸出電流的限制功能。

（5）短路保護(hù)功能。電源對(duì)瞬間短路有斷電保護(hù)功能，且在30 s延時(shí)后可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行供電功能。

（6）電源過溫保護(hù)。當(dāng)電源內(nèi)溫度達(dá)到（55±3） ℃時(shí)，充電電源機(jī)內(nèi)風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)工作；當(dāng)電源內(nèi)溫度達(dá)到（90±5） ℃時(shí)，回饋裝置應(yīng)自動(dòng)停機(jī)。

（7）板面功能。當(dāng)充電電源工作時(shí)，面板按鍵的設(shè)置功能如表1所示。

圖4 推挽電路各功率器件及端口的控制波形圖

表1 面板按鍵的設(shè)置功能

經(jīng)10 dB衰減后，能量回饋裝置EMC測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，能量回饋裝置實(shí)測(cè)電壓、電流波形如圖6所示。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種大功率能量回饋裝置，通過推挽逆變電路實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，克服了推挽電路的不足，充分發(fā)揮了推挽電路結(jié)構(gòu)和控制電路簡單的優(yōu)勢(shì)。電路中，互鎖電路可提高主功率管的抗擾能力，從而穩(wěn)定、可靠地導(dǎo)通或關(guān)斷。在推挽主電路中，鉗位回饋電路將電路中的寄生能量回饋到DC直流源，實(shí)現(xiàn)了能量的二次吸收。本方案大大地減小了推挽導(dǎo)通和關(guān)斷應(yīng)力，降低了開關(guān)損耗，提高了電路效率。副邊換相開關(guān)橋可選用低頻、低成本的開關(guān)器件，減小裝置的成本，且對(duì)逆變器、UPS及光伏并網(wǎng)裝置有很好的適用性和應(yīng)用價(jià)值。

圖5 輸入滿載EMC測(cè)試結(jié)果波形

圖6 輸出10.58 kVA/8.156 kW時(shí)的輸出電壓及電流波形