大功率逆变电源峰值电流控制模式的研究_杜贵平

Study on Peak -current Mode in High Power Soft-switching Inverter
DU Gui-ping 1 , H UANG Shi-sheng 2 , WANG Z hen -min 2
( 1. Foshan Institute of Science and Technology , Foshan 528000 , China ; 2. South China University of Technology , Guangzhou 510641 , China) Abstract: A nov el soft-switching topology is presented and the phase -shifted soft-switching technology and peak current injection technology are applied in the research of soft-switching arc welding inverter .T he structure and stability of the peak -current mode system are discussed .T he ex periment results indicated that the novel inverter using peak current injection technology can achive soft-switching with full rang e and is capable of auto -correcting and current limiting w hich solves the magnetic bias of power transformer effectively . Keywords : inver ter ;phase -shif t ;arc w elding inverter ; sof t -sw itching ; peak current-injectio n phase -shifted control
基金项目 : 国家自然科学基金资助( 59975030) 广东自然科学基金资助( 990555) 收稿日期 : 2001 -08 -02 定稿日期 : 2001 -09 -26 作者简 介 : 杜贵 平( 1968 -), 男 , 甘 肃会 宁 人 , 博 士 , 讲 师 , 研究方向为电力电子及智能控制 。
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又因为在平衡状态时 , Dm 1 = ( 1 -D ) m 2 消去 m 1 并整理可得 , 峰值电流模式逆变器系统稳定的 充要条件是 : m a 2 D -1 > m2 2D
式中 m a m 2 D 斜率补偿信号的上升率 电感检测电流的下降率 平衡状态时的占空比
2 峰值电流模式移相软开关逆变器工 作原理
新型峰值电流模式移相软开关逆变电源电路结 构框图如图 1 所示 , 三相工频交流电经整流滤波 、 全 桥零电压逆变 、 高频降压 、 次级整流后得到所需要的 输出信号 , 利用磁开关拓宽滞后桥臂的软开关范围 。 控制电路由状态反馈( 即峰值电流模式) 和输出反馈 组成双闭环控制 , 通过移相控制实现软开关换流 。
1 引 言
峰值电流控制模式是 20 世纪 80 年代出现的新 型控制模式 , 它同时解决了逆变电源的众多难题 , 优 点十分突出[ 1] 。 如果在逆变电 源中将电流控 制模 式同相移软开关技术相融合 , 则会使变换器具有以 下特点 : ①性能更好 ( 如 动特性 、输 出精度 、稳 定性 等) ; ②在多个电源模块并联时 , 可提供自动均流功 能; ③开关管零电压开关 , 开关损耗小 , 变换效率高 ; ④ 可提高开关频率和变换器功率密度 , 易于向大功 率的方向发展 ; ⑤ 具有内在瞬时限流调整能力 , 可迅 速对电力电子器件进行过流保护 ; ⑥防止高频变压 器“ 偏磁”现象的发生 , 自动保持变压器的动态磁平 衡。 文中分析了采用峰值电流模式和相移软开关技 术的弧焊逆变器的工作原理 ; 探讨了峰值电流控制 系统的结构和稳定性 。 具体实验结果有力说明了采 用这种方法的优越性 。
图 2 新型变换器的主电路原理图
在该电路中 , G 为经过整流滤波的直流电压源 。 在图中变压器次极采用中心抽头结构 , 用“· ” 表示绕 组同名端 , 磁开关 L1 、L2 分 别与整流管 VD r1 、VDr2 串联构成全波整流环节 , Lo 、Co 组成输出滤波环节 。 与普通的全桥移相软开关不同的是在变压器的次级 串接了 两个饱和 L1 、L 2 。 采 用磁 开关启 用激磁 电 感 , 同时配合漏感实现软开关的新型电路 , 是一种简 单、 可靠 、 经济实用的零电压软开关直流变换电路 。 只要合理设置激磁电流 , 即可保证移相全桥变换器 中超前桥臂和滞后桥臂在任何负载下都达到零电压 软开关[ 4] 。 超前桥臂的开关管 V T 1 、 VT 3 在换流过 程中的工作特征与普通全桥移相软开关超前臂开关 管完全类似 , 此时磁开关处于低阻导通状态 ; 滞后桥 臂开关管换流时 , 初级电流降至激磁电流 , 整流二极 管的导通电流为零 , 输出电流全部流经续流二极管 VDw , 磁开关 L 1 、 L2 均处于阻断状态 , 此时激磁电感 被启用 , 并与漏感串联 。 由于等效串联谐振电感很 大 , 可以认为初级电流近似保持不变 , 该电流继续给 滞后开关管的并联电容 C 2 、C4 充 、放电 。 因此可见 , 由于磁开关的作用 , 大大拓宽了滞后桥臂的软开关 20
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大功率逆 变电源峰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电流控制模式的研究
统稳定性的两种情况 。
经过一个开关周期后 , 输出电感中电流的变化 为: m 2 -m a Δi( T s) =Δi( 0) ( 2) m 1 +m a 同理可得 , 经过 N 个开关周期后 , 输出电感的 电流变化为 : Δi( n T s) =Δi [ ( n -1) T s] m 2-m a -m +m 1 a
m 2 -m a n =Δi ( 0) ( 3) m 1 +m a 要使系统稳定 , 偏差电流应逐渐趋于零 , 即 :
n ※∞
nT s) = lim Δi ( 0 m 2 -m a < 1 m 1 +m a
( 4)
故系统稳定的充要条件为 :
图 4 峰值电流控制系统稳定性
( 5)
在扰动作用下 , 电感电流偏离了平衡点 。 设初 始状态的偏离量为 Δi ( 0) 。 当平衡态占 空比 D < 50 % 时 , 输出电感电流动态过程如图 4a 所示 , 其偏 离量逐渐减小直至趋于零 , 系统是稳定的 ; 当D> 50 % 时 , 输出电感电流动态过程如图 4b 所示 , 随着 时间的推移 , 偏离量越来越大 , 系统是不稳定的 。 3. 2. 2 斜率补偿与稳定性的关系 采用峰值电流模式的逆变电源为了保证占空比 从零至 1 的整个范围内都是稳定的 , 可以采用斜率 补偿的方法来 实现 关系如图 5 所示 。
图 1 电源结构框图
移相控制全桥零电压软开关变换电路虽然具有 高频零电压软开关运行 、 易实现移相控制 、 电流和电 压应力小 、 巧妙利用寄生元件等突出优点 , 但是 , 它 又存在着滞后桥臂软开关范围较窄 、占空比损失较 大、 整流二极管电压振荡 、 初级有环流损耗等方面的 问题[ 2 ～ 3] 。 在通常的移相控制全桥软开关电路中 , 超前臂换流时 , 功率变压器正处于有源状态 , 即功率 19
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( 1. 佛山科学技术学 院 , 佛山 528000 ; 2 . 华南理工大学 , 广州 510641) 摘要 : 提出了一种将峰值电流控制模式与移相软开关 技术相结合的新型弧焊逆变 电源 。 探讨了 峰值电流控 制 系统的结构与 稳定性 。 实验结果表明 , 采用峰值电流 模式的逆 变器能 够实现 全范围 的软开 关 , 并 且具有 良好的 限 流和自校正能力 , 可以有效地解决功率变压器的 偏磁问题 。 关键词 : 逆变器 ; 移相/ 弧焊逆变电源 ; 软开关 ; 电流峰值移相控 制 中图分类号 : T G434 . 3 , TN 86 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 -100X( 2002) 01 -0000 -00
第 36 卷第 1 期 电 力电子技术 Vo l . 36 , No . 1 2002 年 2 月 Pow er Electronics February , 2002
输出状态 , 输出电感和变压器的漏感以及激磁电感 都参与了换流过程 , 总的电感储能很高 , 可以充分保 证超前臂的零电压开关 , 但滞后臂难于实现零电压 开关 , 其根本原因是 : 当滞后桥臂换流时 , 功率变压 器正处于无源状态 , 即续流状态 , 输出电感和激磁电 感都不能参与滞后臂的谐振换流 。 激磁电感参与全 桥变换器谐振换流的充要条件是器件换流期间变压 器处于能量输出状态或纯电感状态[ 4] 。 因而 , 改进 这种软开关电路的基本原理是 : 在滞后桥臂换流时 使变压器由续流状态转化为纯电感状态 , 从而启用 激磁电感参与滞后桥臂的串联谐振 。 最简单的办法 就是采用磁开关 。 所谓磁开关 , 就是指由伏秒数决 定阻抗 、 在趋近零 电流时退出饱和 的非线性电感 。 图 2 给出了采用磁开关启用激磁电感实现软开关的 主电路原理图 。
范围 , 明显改善了变换器的性能 。
3 峰值电流控制模式及其稳定性分析
开关功率电路的控制方式可分为电流控制模式 和电压控制模式 。 电流控制模式因动态反应快 、补 偿及保护电路简单 、 增益带宽大 、 易于均流及可防止 偏磁等优点而被广泛 采用[ 5] 。 电流控 制模式又可 分为峰值电流控制和平均电流控制 。 传统的焊接电 源一般采用电压控制模式 , 而弧焊逆变器不同于传 统电源 , 其功率开关器件导通电流等内部变量的瞬 态值具有相对独立性 。 只有直接控制 电流瞬态峰 值 , 才能有效快速地保护功率开关器件 , 同时克服全 桥式弧焊逆变器的偏磁问题 , 提高其动态反应速度 和可靠性 。 因此 , 本电源采用峰值电流控制模式 。 3. 1 峰值电流模式原理 电流峰值控制系统结构如图 3 所示 。
第 36 卷第 1 期 电 力电子技术 Vo l . 36 , No . 1 2002 年 2 月 Pow er Electronics February , 2002
大功率逆变电源峰值电流控制模式的研究
杜贵平 , 黄石生 , 王振民
图 3 电流峰值控制系统原理图
该系统将代表开关管瞬态电流信息的动态信号 V s 与一个频率和幅值很小且恒定的锯齿波信号 V a 叠加 , 然后再与参考电压信号 V e 进行比较 , 共同决 定占空比 D 的大小 。 占空比 D 既与参考电压成正 比 , 又与开关管瞬态电流到达峰值的时刻相关 , 从而 保证开关管的瞬态电流峰值跟随参考电压而变化 。 这种控制方式具有内在的瞬时限流调整能力 , 可以 实现对功率开关器件的动态瞬时保护 , 还可以自动 保持高频功率变压器动态磁平衡 。 更重要的是电流 峰值控制方法可以同移相软开关技术有机结合 , 从 而全面地改进逆变器的性能 。 3. 2 峰值电流控制系统稳定性分析 稳定是控制系统的重要性能 , 也是系统正常运 行的首要条件 。 在峰值电流模式系统中 , 存在着许 多比较突出的问题 。 本文主要分析 峰值电流模 式的不稳定现象以及采用斜率补偿使系统稳定的理 论依据及方法 。 3. 2. 1 峰值电流控制模式的不稳定现象 图 4 给出了在无斜率补偿时 , 峰值电流控制系