7.5kVA單相航空靜止變流器的研制

摘要：應(yīng)用了一種新穎雙管正激組合變換器作為三態(tài)滯環(huán)控制電流型逆變器直流輸入前級(jí)，研制了一種輸出7.5kVA的單相航空靜止變流器，將某型號(hào)飛機(jī)上三相115V/400Hz供電系統(tǒng)，變換成220V/50Hz單相交流電，以滿足特殊機(jī)載設(shè)備的供電要求。

關(guān)鍵詞：雙管正激變換器；組合變換器；三態(tài)滯環(huán)電流控制；逆變器

引言

航空靜止變流器要求可靠性高、體積小、重量輕和電氣性能好，尤其對(duì)可靠性有特別高的要求。為此，我們分析并應(yīng)用一種新穎雙管正激組合變換器作為逆變器直流輸入前級(jí)，它既具有雙管正激變換器內(nèi)部橋臂無(wú)直通現(xiàn)象、原邊開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力低等可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了雙管正激變換器由于輸出整流和續(xù)流二極管電壓應(yīng)力過(guò)高、不能可靠應(yīng)用于輸出高電壓場(chǎng)合的弱點(diǎn)[1][2]。靜止變流器逆變部分采用了三態(tài)滯環(huán)電流控制型逆變器，其相對(duì)于電壓控制型逆變器具有響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，其相對(duì)于二態(tài)滯環(huán)電流控制型逆變器具有輸出電壓THD低和效率高的優(yōu)點(diǎn)[4]。

1 原理分析

7.5kVA單相航空靜止變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示，它由三相不控整流橋、雙管正激組合DC/DC直流變換器和三態(tài)滯環(huán)電流控制型單相逆變器三部分構(gòu)成。直流變換器把不控整流橋輸出的脈動(dòng)直流電壓240～300V提高到360V，以滿足逆變器最低輸入電壓幅值的要求。

1.1 DC/DC變換器原理分析

在雙管正激變換器及其隔離式直流變換器中，由于副邊輸出整流和續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力與輸出電壓成正比，快恢復(fù)二極管電壓應(yīng)力越高，其關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生的電壓尖峰和熱應(yīng)力問(wèn)題就越嚴(yán)重，危及二極管的安全運(yùn)行，因此，副邊輸出二極管是隔離式變換器輸出高壓時(shí)的最薄弱環(huán)節(jié)。變壓器副邊輸出續(xù)流快恢復(fù)二極管電壓定額等級(jí)越高，往往其反向恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)[5]，反向恢復(fù)過(guò)程中變壓器漏感儲(chǔ)能也就越大；當(dāng)反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生的加在該續(xù)流二極管上的電壓尖峰就越高。另外，副邊輸出續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，變換器輸出占空比丟失現(xiàn)象就越嚴(yán)重，須增加變壓器副邊匝數(shù)，導(dǎo)致進(jìn)一步增大輸出整流和續(xù)流二極管電壓應(yīng)力。因此，提高變換器輸出高壓時(shí)的可靠性，關(guān)鍵是降低副邊輸出二極管的電壓應(yīng)力。通過(guò)串聯(lián)二極管以及另加吸收電路的方式，雖可以降低二極管電壓應(yīng)力，但串聯(lián)時(shí)的均壓電容和吸收電容會(huì)增大變壓器原邊的開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力，并且可能會(huì)引起變壓器漏感和均壓電容的振蕩；另外，阻容吸收電路的功耗也降低了整個(gè)變換器效率。

為了有效降低變壓器副邊輸出二極管電壓應(yīng)力，我們采用了一種新穎雙管正激組合變換器[2][3]。如圖2所示，變壓器原邊輸入端4路雙管正激交錯(cuò)并聯(lián)、副邊輸出端采用先并聯(lián)后串聯(lián)的組合形式。

圖2

該組合變換器輸入、輸出電壓關(guān)系式為

Vo=4N(2L)DVin （1）

式中：Vin和Vo分別為輸入和輸出電壓；

D為功率開(kāi)關(guān)管（Q1～Q8）的導(dǎo)通占空比；

N（2L）為高頻變壓器（T1～T4）副邊與原邊的匝數(shù)之比。

副邊輸出續(xù)流二極管（D10及D14）電壓應(yīng)力VF（2L）為

VF(2L)=N(2L)Vin （2）

副邊輸出整流二極管(D9，D11～D13)電壓應(yīng)力VR(2L)為

VR(2L)=2N(2L)Vin （3）

而對(duì)于雙管正激變換器，其輸出電壓Vo、副邊整流二極管電壓應(yīng)力VR(1L)和副邊續(xù)流二極管電壓應(yīng)力VF(1L)分別如式（4）～式（6）所示[1]。

Vo=N(1L)DVin （4）

VR(1L)=N(1L)Vin （5）

VF(1L)=N(1L)Vin （6）

式中：N(1L)為雙管正激變換器的高頻變壓器副邊與原邊的匝數(shù)之比。

當(dāng)兩種變換器輸入、輸出電壓及導(dǎo)通占空比均相同時(shí)，由式（1）～式（6）可得關(guān)系式

式（7）及式（8）表明，新穎組合變換器副邊輸出續(xù)流二極管電壓應(yīng)力僅為雙管正激變換器對(duì)應(yīng)副邊二極管的1/4，大大降低了二極管耐壓等級(jí)。為此，我們采用了耐壓為600V的快恢復(fù)二極管DSEI30-06A作為副邊續(xù)流二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間為35ns，且無(wú)須另加阻容吸收電路，其電壓尖峰不超過(guò)350V。因此，該新穎組合變換器可以可靠地應(yīng)用于輸出高電壓場(chǎng)合。

1.2 DC/AC逆變器原理及其主要參數(shù)分析

三態(tài)滯環(huán)控制電流型逆變器系統(tǒng)框圖，如圖3所示。它由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，電流內(nèi)環(huán)對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使之逼近給定信號(hào)，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；電壓外環(huán)產(chǎn)生的誤差信號(hào)作為電流內(nèi)環(huán)的給定，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的電氣性能。其主電路拓?fù)淙鐖D4所示，濾波容Cf兩端為輸出電壓。設(shè)Ig為電流給定信號(hào)，Δ為滯環(huán)寬度，則三態(tài)滯環(huán)控制過(guò)程如下：

Ig>If＋Δ，Q1及Q4同時(shí)導(dǎo)通，If上升（即＋1態(tài)）；

IgIf－Δ，Q2及Q3同時(shí)導(dǎo)通，If反向上升（即－1態(tài)）；

If－ΔIgIf＋Δ，If通過(guò)Q3或Q4進(jìn)行續(xù)流（即零態(tài)）。

逆變器濾波電感Lf在滯環(huán)控制中的主要作用是，和濾波容Cf一起濾除輸出高次諧波；作為積分環(huán)節(jié)，為電流閉環(huán)控制提供斜坡積分函數(shù)而參與控制。其取值不僅影響輸出波形，還影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。Lf過(guò)大，使電感電流追蹤不上電流給定的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)。Lf過(guò)小，盡管可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但電流脈動(dòng)增大，影響輸出波形質(zhì)量。從逆變器輸入、輸出特性及工作原理，可得濾波電感要滿足式（9）及式（10）[3][4]。

式中：vOmax為輸出電壓峰值；

ω為輸出電壓角頻率；

Igmax為電流給定信號(hào)最大值；

ton為導(dǎo)通時(shí)間；

ΔiLfmax為電感電流的最大脈動(dòng)量。

逆變器濾波電容Cf的作用是濾除輸出高頻成分，其值取大一些可減小輸出電壓的THD，但會(huì)增大開(kāi)關(guān)管及其它器件的電流容量；其值過(guò)小，輸出波形的THD會(huì)增大。綜合考慮，Cf應(yīng)滿足式（11）。

Cf(αIomax/ωVo) （11）

式中：系數(shù)α工程上取0.5左右為宜。

滯環(huán)寬度Δ太小會(huì)增加功率管的開(kāi)關(guān)頻率，增大開(kāi)關(guān)損耗；如太大，電感電流脈動(dòng)增大，輸出波形變差；一般取電感電流的10％左右作為其對(duì)應(yīng)的Δ值[3][4]，其最終選取須通過(guò)實(shí)際調(diào)試加以確定。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

我們研制的某型號(hào)單相航空靜止變流器輸入、輸出主要電氣指標(biāo)和參數(shù)如下：

三相交流（400Hz）供電，輸入相電壓Vin=11511.5V；

輸出電壓Vo為AC 216～222V/50Hz；

額定輸出功率為7.5kVA，短時(shí)（連續(xù)2min）

最大允許輸出功率為11.25kVA；

輸出電壓THD5％。

DC/DC變換器如圖2所示，主要電路參數(shù)如下：

輸出濾波電感L1=L2=160μH；

輸出濾波電容C2=C3=470μF；

開(kāi)關(guān)頻率fs=50kHz；

高頻變壓器（T1～T4）原、副邊匝比為20：18；

副邊輸出續(xù)流管(D10和D14)采用快恢復(fù)二極管DSEI30-06A，耐壓600V；

副邊整流管（D9及D11～D13）采用快恢復(fù)二極管DSEI30-10A，耐壓1000V；

功率開(kāi)關(guān)管（Q1～Q8）采用IXFB80N50Q2，環(huán)境溫度25℃時(shí)額定電流為80A，額定電壓500V。

DC/AC逆變器如圖4所示，主要電路參數(shù)如下：

主功率管IGBT（S1～S4）采用BSM-150GB-60DLC，額定電流150A，額定電壓600V；

濾波電感（Lf）的電感量為1mH；

濾波電容（Cf）的電容量為80μF。

單相航空變流器帶阻性額定負(fù)載（如圖5所示）時(shí)，主要實(shí)驗(yàn)波形如圖6～圖9所示。其中，圖6為DC/DC變換器開(kāi)關(guān)管Q1觸發(fā)脈沖電壓信號(hào)和輸出續(xù)流二極管D10電壓波形，二極管D10最大電壓應(yīng)力為350V（考慮關(guān)斷電壓尖峰）；圖7為逆變器二橋臂間的調(diào)制電壓波形和輸出電壓波形；圖8為逆變器輸出濾波電感Lf的電流波形，濾波電感電流的脈動(dòng)量由滯環(huán)寬度決定；變流器額定負(fù)載時(shí)輸出電壓波形的THD=0.533％，輸出電壓波形各次諧波分析如圖9所示。

3 結(jié)語(yǔ)

采用新穎雙管正激組合變換器作為三態(tài)滯環(huán)控制電流型逆變器的直流輸入前級(jí)，而研制的某型號(hào)7.5kVA靜止變流器具有如下特點(diǎn)：

1）直流變換器功率器件電壓電流應(yīng)力小、可靠性高；

2）直流變換器和逆變器均采用電壓、電流雙環(huán)控制，均具有內(nèi)部限流功能,整機(jī)效率不低于89％；

3）輸出電壓波形質(zhì)量好，THD0.6％。