一种高频链单级软开关DC-AC变换器及其控制方法

一种高频链单级软开关dc-ac变换器及其控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子变换器技术领域，涉及一种高频链单级软开关dc-ac变换器及其控制方法。


背景技术：

2.在与国计民生相关的诸多特种逆变器应用中，通常要输出幅度、频率变化范围极宽的复杂波形。例如水下航行器声呐系统中的dc-ac变换器需要产生数hz至数百khz的正弦波，以推动宽带水声换能器对海床进行全面探测。在光刻机、电镀、微弧氧化、感应加热以及激光发射器中，均需要产生各种复杂的高频脉冲或者梯度波形等输出。在核磁共振、超声波成像设备中，需要通过dc-ac变换器产生幅度、频率变化极大的波形。
3.与频率、相位及幅值固定的传统并/离网逆变器不同，在上述应用中，任意波形输出dc-ac变换器交流侧波形有着一个共同特点，即就是频率、幅度均有着极宽的变化范围，因此很难精确检测到高频输出交流信号的过零点。传统隔离型并/离网逆变器大多采用前级隔离dc-dc变换器加后级逆变结构，通过精确检测输出过零点在正负半周期采取不同的控制时序实现软开关。但在任意波形输出dc-ac变换器中，无法精确区分输出正负半波，难以实现所有高频开关管的全范围软开关，限制了变换器效率、开关频率等特性的提升。尽管一些高频链dc-ac变换器通过增加复杂的辅助电路实现了单级功率转换，但依然无法实现所有开关管的软开关。因此，在较难检测输出过零点的任意波形输出dc-ac变换器应用中，在无额外辅助电路情况下，通过无输出过零检测的方法实现高频开关管的软开关，成为了当前的研究难点和重点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高频链单级软开关dc-ac变换器及其控制方法，该方法能够在无额外辅助电路情况下，通过无输出过零检测的方法实现高频开关管的软开关。
5.为达到上述目的，本发明所述的高频链单级软开关dc-ac变换器包括直流输入电源、原边逆变电路、谐振腔、高频变压器、周波变换器、滤波器、负载及控制器；
6.直流输入电源依次经原边逆变电路、谐振腔、高频变压器、周波变换器及滤波器与负载相连接，控制器与负载、原边逆变电路及周波变换器相连接。
7.所述原边逆变电路包括原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管，其中，直流输入电源的正极与原边第一开关管的一端及原边第三开关管的一端相连接，直流输入电源的负极与原边第二开关管的一端及原边第四开关管的一端相连接，原边第一开关管的另一端与原边第二开关管的另一端及谐振腔输入端的一端相连接，原边第三开关管的另一端与原边第四开关管的另一端及谐振腔输入端的另一端相连接；
8.所述周波变换器包括第一电感、第二电感、第一双向开关管、第二双向开关管、第三双向开关管及第四双向开关管；
9.高频变压器中副边的一端与第一电感的一端相连接，高频变压器中副边的另一端与第二电感的一端相连接，第一电感的另一端与第一双向开关管的一端及第二双向开关管的一端相连接，第二电感的另一端与第三双向开关管的一端及第四双向开关管的一端相连接，第一双向开关管的另一端、第二双向开关管的另一端、第三双向开关管的另一端及第四双向开关管的另一端与滤波器的输入端相连接。
10.第一双向开关管由副边第一开关管和副边第一二极管组成。
11.第二双向开关管由副边第二开关管和副边第二二极管组成。
12.第三双向开关管由副边第三开关管及副边第三二极管组成。
13.第四双向开关管由副边第四开关管及副边第四二极管组成。
14.副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体三极管。
15.本发明所述高频链单级软开关dc-ac变换器的控制方法控制器采集负载两端的电压信号作为反馈信号，采用脉冲密度控制、脉冲跳周期调制及脉冲频率调制控制策略对原边逆变电路中的原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管以及周波变换器中的副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管的频率及脉宽进行控制，使开关频率始终低于串联谐振频率，并工作在谐振腔的感性区域。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明所述的高频链单级软开关dc-ac变换器及其控制方法在具体操作时，控制器采集负载两端的电压信号作为反馈信号，采用脉冲密度控制、脉冲跳周期调制及脉冲频率调制控制策略对原边逆变电路及周波变换器中的各开关管，使开关频率始终低于串联谐振频率，并工作在谐振腔的感性区域，从而在无额外辅助电路情况下，通过无输出过零检测的方法实现高频开关管的软开关，消除漏感电流及输出滤波电感电流的续流需求。
附图说明
18.图1为本发明的原理图；
19.图2为本发明的结构图；
20.图3为高频链单级dc-ac变换器电路及其控制策略图；
21.图4为谐振型高频链单级dc-ac变换器的脉冲跨周期调制策略图；
22.图5a为谐振电感电流波形图；
23.图5b为副边第一和第二开关管漏极-源极电压和电流波形图；
24.图6为输出电压波形以及副边第一和第二开关管漏极-源极电压和电流波形图。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
27.参考图1及图2，本发明所述的高频链单级软开关dc-ac变换器包括直流输入电源1、原边逆变电路2、谐振腔3、高频变压器4、周波变换器5、滤波器6、负载7及控制器8；
28.所述周波变换器5包括第一双向开关管、第二双向开关管、第三双向开关管及第四双向开关管，所述原边逆变电路2包括原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管，其中，直流输入电源1的正极与原边第一开关管的一端及原边第三开关管的一端相连接，直流输入电源1的负极与原边第二开关管的一端及原边第四开关管的一端相连接，原边第一开关管的另一端与原边第二开关管的另一端及谐振腔3输入端的一端相连接，原边第三开关管的另一端与原边第四开关管的另一端及谐振腔3输入端的另一端相连接；
29.高频变压器4中副边的一端与第一电感的一端相连接，高频变压器4中副边的另一端与第二电感的一端相连接，第一电感的另一端与第一双向开关管的一端及第二双向开关管的一端相连接，第二电感的另一端与第三双向开关管的一端及第四双向开关管的一端相连接，第一双向开关管的另一端、第二双向开关管的另一端、第三双向开关管的另一端及第四双向开关管的另一端与滤波器6的输入端相连接。
30.第一双向开关管由副边第一开关管和副边第一二极管组成，第二双向开关管由副边第二开关管和副边第二二极管组成，第三双向开关管由副边第三开关管及副边第三二极管组成，第四双向开关管由副边第四开关管及副边第四二极管组成。
31.滤波器6的输出端与负载7相连接，其中，控制器8通过检测器采集负载7两端的电压信号，控制器8与副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管、副边第四开关管、原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管相连接。
32.副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管为宽禁带半导体器件、场效应管或晶体三极管；副边第一二极管、副边第二二极管、副边第三二极管及副边第四二极管可以被工作于同步模式的有源开关管替代。
33.参考图3至图4，本发明所述dc-ac变换器周波变换器开关管控制方法包括以下步骤：
34.控制器8采集负载7两端的电压信号作为反馈，采用脉冲密度控制、脉冲跳周期调制及脉冲频率调制控制策略对原边逆变电路2中的原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管以及周波变换器5中的副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管的频率及脉宽进行控制，使开关频率始终低于串联谐振频率，并工作在谐振腔3的感性区域，其中，串联谐振频率为串联谐振电感和串联谐振电容的谐振频率。
35.所述dc-ac变换器控制策略特征在于：原边逆变电路2包括全桥、半桥及推挽等可以产生逆变方波的电路，将输入直流斩波逆变为高频方波，通过变频或移相的方式构造不同的方波电压。
36.谐振腔3采用谐振元器件串并联的方式，始终工作于感性区域，以llc谐振腔3为例，将逆变方波滤波为近似正弦电压，并通过高频变压器4进行电气隔离及电压变比，其中，开关频率始终低于串联谐振频率，周波变换器5工作在o态、opo态、po态等包含o模态的方式，副边电流在o模态为零，此时进行周波变换器5换流，在无辅助电路情况下，实现所有开关管的软开关，消除漏感电流及输出滤波电感电流的续流需求。
37.具体的，当输出电压为正时，副边第二开关管及副边第四开关管关断，副边第一开关管及副边第三开关管跟随原边第一开关管及原边第四开关管导通；副边第一开关管和副边第三开关管的导通时间早于原边第一开关管和原边第四开关管，以实现软开关导通，并在原边第一开关管及原边第四开关管导通的末期，即电路进入o模态时关断，实现软开关关断。当输出电压反馈信号低于参考信号时，副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管保持跟随原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管进行导通，为负载7传输能量；当输出电压反馈信号高于参考信号时，副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管关断，原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管保持开关动作为电感电流进行续流。当副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管达到关断预设时间后，输出电压反馈信号仍然高于参考信号时，副边第二开关管及副边第四开关管跟随原边第一开关管及原边第四开关管导通，使输出电压变为负值。
38.当输出电压为负时，副边第一开关管和副边第三开关管全部关断，副边第二开关管和副边第四开关管跟随原边第一开关管及原边第四开关管导通。副边第二开关管和副边第四开关管的导通时间早于原边第一开关管和原边第四开关管，以实现软开关导通，并在原边第一开关管和第四开关管导通末期，即电路进入o模态时关断，实现软开关关断。当输出电压反馈信号高于参考信号时，副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管保持跟随原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管进行导通，为负载7传输能量；当输出电压反馈信号低于参考信号时，副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管关断，原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管及原边第四开关管保持开关动作为电感电流进行续流。当副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管达到关断预设时间后，输出电压反馈信号仍然低于参考信号时，则副边第一开关管和副边第三开关管跟随原边第一开关管和原边第四开关管导通，使输出电压变为正值。
39.在副边开关管连续导通频率较高时，原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管、原边第四开关管、副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管进行脉冲频率调制，在谐振腔3的感性区，使原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管、原边第四开关管、副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管的开关频率降低，提高变换器增益，满足输出高峰值电压的需求；在谐振腔3的感性区，使原边第一开关管、原边第二开关管、原边第三开关管、原边第四开关管、副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管的开关频率升高至接近串联谐振频率，降低开关管电流有效值，满足高负载下对效率提升的需求。
40.图5a及图5b为本发明所提示例电路中的谐振电感电流、开关管漏极-源极电压和电流的仿真波形。由图5a及图5b可知，本发明采用了脉冲跨周期调制策略，实现原边第一开
关管、原边第二开关管、原边第三开关管、原边第四开关管、副边第一开关管、副边第二开关管、副边第三开关管及副边第四开关管的软开关。图6为本实施例中输出电压波形以及副边第一开关管和副边第二开关管漏极-源极电压和电流波形图，可见输出电压正弦度较高。