High Frequency SOFt-switching Inverter with excellent peformance
CHEN Dao-lian
Abstract:A novel idea of inverter with duty cycle extended high frequency pulse DC link is firstly proposed . The operation principle of the soft-switching inverter and the control strategy of three-state discrete pulse modulation hystersis current are deeply analyzed and studied. The design criterions of key circuit parameter are gained. A designed and developed 750 VA 27 V DC/115 V 400 Hz AC prototype has the excellent comprehensive advantages.
Keywords:Soft-switching； High frequency link inverter； High frequency pulse DC link； Three-state discrete pulse modulation（ DPM） ； Active clamp
1 引言
综合软化开关高频脉冲直流环节逆变器，解决了分级软化开关高频环节逆变器存在的电路拓扑复杂，功率密度和变换效率偏低，成本偏高等问题[1，2]。这类软开关逆变器由电气隔离型高频脉冲直流环节电路与DC/AC逆变桥级联而成。
文献[1]提出了并联交错有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器电路拓扑，如图1（a）所示。该电路仍存在电路拓扑和控制偏复杂，体积重量偏大，变换效率和可靠性偏低等缺点。为了进一步简化高频脉冲直流环节电路拓扑，再次提出了高频脉冲直流电压波占空比扩展的新思路[3]，从而成功地解决了单管正激式功率开关占空比小与输出高频脉冲直流电压波占空比要求大之间的矛盾。本文主要研究占空比扩展的高频脉冲直流环节逆变器工作原理，控制策略，关键电路参数设计准则，并给出了样机试验结 果。
(a) 并 联 交 错 有 源 箝 位 正 激 式
(b) 占 空 比 扩 展 的 单 管 有 源 箝 位 正 激 式
图1 高 频 脉 冲 直 流 环 节 逆 变 器 电 路 拓 扑
2 占空比扩展的高频脉冲直流环节逆变器工作原理
基于占空比扩展的单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节逆变器电路拓扑，如图1（b）所示。单管有源箝位正激式高频脉冲直流环节电路，将经LC输入滤波器后的输入电压18～32VDC变换成平均值为180V，频率为80kHz，占空比扩展的高频脉冲直流电压udo， DC/AC逆变为全桥结构，逆变桥所有功率器件在前级输出的高频脉冲直流电压波udo过零处进行开关转换，从而实现了零电压开关（ZVS）。逆变桥输出的调制电压波uAB经输出滤波电感Lf、滤波电容Cf后，得到了恒压恒频115V 400Hz的单相交流电。
箝位开关Sc与箝位电容CC串联支路，构成了正激变换器的有源箝位支路，实现了高频变压器T的磁复位。功率开关Sr与电容Cr串联支路不但可用来吸收DC/AC逆变桥交流侧回馈的无功能量，而且可以实现高频脉冲电压波udo占空比的扩展。高频脉冲直流电压udo占空比扩展原理，如图2所示。Sr的驱动信号相对于功率开关S的驱动信号稍延迟开通t3时间，大大延迟关断t4时间。合理设计吸收支路开关Sr的延迟时间t4，也就实现了高频脉冲电压波udo的扩展。吸收开关Sr与功率开关S均截止时，udo为零电平，在此期间实现DC/AC逆变桥功率开关的ZVS转换。
图2 高 频 脉 冲 直 流 电 压 占 空 比 扩 展 原 理
3 三态离散脉冲调制电流控制技术
高频脉冲直流环节电路和DC/AC逆变桥采用各自独立的控制电路。高频脉冲直流环节电路采用输入电压前馈脉宽调制，DC/AC逆变桥采用输出电压和滤波电感电流双闭环反馈三态离散脉冲（DPM）控制技术，其控制原理，如图3所示。输出电压反馈信号uof与基准电压信号ug比较，经PI调节器后，电压外环的输出信号ig作为电流内环的给定信号。电流内环为三态离散脉冲滞环跟踪控制调节器。滤波电感电流反馈信号if在正、负环宽范围内跟踪ig变化。滞环比较结果经采样信号uc（过零信号）采样，控制功率开关S1、S2、S3、S4在udo零电平期间开关转换，从而获得输出调制电压uAB，其控制规律为
(a) 控 制 原 理
(b) 原 理 波 形
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uAB=
(1)
式中:δ——半个滞环宽度；
udom——高频脉冲直流电压幅值。
4 关键电路参数设计准则
4．1 箝位电容CC
箝位电容Cc应满足
Cc≥(1－D)2Ts2/(8LmΔUc/Uc) （2）
通常取ΔUc/Uc≤10％，按最坏情况D=Dmin来设计。
4．2 功率开关S、箝位开关Sc、吸收支路开关Sr三个驱动信号延迟时间
延迟时间t1、t2过大，影响了有效占空比；延迟时间过小，满足不了要求。Sc关断与S开通的时间间隔应不小于变压器磁化电感Lm与功率开关输出电容Cs间谐振周期的四分之一，即
t2≥2π
/4 （3）
S关断与Sc开通的时间间隔t1应满足
2π/4<t1<(1－D)Ts/2 （4）
式（3）、式（4）按最坏情况（Ui=Uimin、D=DMAx、Uc=Ucmax）来调节参数。Sr关断相对于S关断的延迟时间t4为
t4=ΔDTSDTs （5）
式中：ΔD——高频脉冲直流电压扩展的占空比。
4．3 功率开关S实现ZVS的条件
功率开关S能否实现ZVS，取决于变压器磁化电流峰值与折算到变压器原边的负载电流的差值。功率开关S实现ZVS的条件为
(1/2)Lm（ILm－iLf·N2/N1）2≥(1/2)CsUi2 （6）
式中：ILm——变压器磁化电流峰值。
4．4 高频脉冲直流电压波平均值Udo,avg选取
为了确保输出电压THD小，应满足
UO≤Udo,avg （7）
Udo,avg=(N2/N1)Ui(D＋ΔD) （8）
由式（8）可知，相同的Udo,avg值，总占空比(D＋ΔD)越大，则高频脉冲直流电压幅值将越小。因此，高频脉冲直流电压波占空比扩展，一方面降低了DC/AC逆变桥功率开关的电压应力；另一方面简化了前级高频脉冲直流环节电路。此外，为了保证DC/AC逆变桥功率器件可靠实现ZVS，需要一定的零电平时间t0，则最大占空比应满足
