一種大功率能量回饋裝置的實現方法

柯萬宇，褚仁林，湯前進，吳 慧

（武漢華中數控股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引 言

推挽電路作為DC/DC、DC/AC及AC/AC變換器的拓撲之一，結構簡單，變壓器雙向勵磁[1]，利用率高，適用于低電壓輸入的中小功率場合。推挽架構的電路常用于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，通常前級以全橋轉換，再經次邊整流電路，給后級的電路逆變輸出，控制電路較復雜。推挽電路經過了一系列演變，如串聯諧振方式[3]和推挽變形方式[4-5]。為實現大功率閉環控制，串聯諧振方式需加一級穩壓，以使推挽電路更好地工作在諧振狀態。推挽變形方式比較適合開環控制，且受其他離散參數的影響，導致其無法被設計人員采用。本文介紹了一種基于一級變換的推挽逆變電路的控制方法，旨在解決現有技術中逆變電路功率轉換級數較多、折算效率低的問題。

1 推挽逆變電路組成的能量回饋裝置

本設計以推挽拓撲架構的電路實現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。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，使主功率管輪流導通，使得DC直流源中的能量經變壓器進行高頻隔離轉換。互鎖電路接收邏輯控制電路發出的SPWM波信號，實現推挽電路主功率管的控制信號互鎖功能。鉗位回饋電路是吸收變壓器漏感產生的尖峰，按照一定邏輯時序將推挽主功率管的開關尖峰和漏感產生的能量回饋到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行濾波。換相回饋電路是將整流濾波后的半正弦波按電網頻率和相位回饋電網。邏輯控制電路是接收回饋電網的電壓和電流信號，分配邏輯時序給推挽逆變電路和換相回饋電路實現閉環控制。圖2是推挽逆變電路組成的能量回饋裝置結構示意圖。

2 能量回饋裝置的硬件設計和控制方法

本設計實例提供的推挽逆變電路通過調整單極性SPWM的占空比驅動推挽管，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行轉換。整流濾波后的正弦半波經4個可控器件按電網頻率同相導通，還原成正弦波回饋到電網。換相控制頻率為50 Hz方波控制，開關損耗低，效率高。在每個橋臂都串接二極管，可很好地抑制在并網回饋中因電網頻率抖動或其他因素產生的環流。在作為逆變器或UPS輸出時，可省略換相回饋電路中橋臂上串接的二級管，以節省成本。

本設計實例也可作為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構

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次邊是常規全橋整流濾波結構；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。

為進一步說明本設計實例提供的推挽逆變電路，可結合圖4進行詳述。采樣電路將電網電壓和電流信號反饋給邏輯控制電路，在邏輯電路的控制下將全波的SPWM信號解調出單極性的SPWM波，經過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直流源的負端，保證了推挽管的SPWM信號的互鎖作用。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。在Q1、Q2推挽管關斷的死區時間內導通Q5功率管，即能將變壓器T1的漏感能量及推挽管Q1、Q2的開關尖峰有效地經過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信號將DC直流源中的電壓經過T1高頻變壓器轉換，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死區時間的時序導通，還原成與電網同頻同相的電壓回饋至電網M端、N端。過零處的死區時間和橋臂上串接的二極管保證能量可靠地回饋電網，防止產生環流[2]。

4 試驗結果及分析

本文設計了一臺14 kW的能量回饋裝置。

（1）直流輸入電壓調節范圍為198～256 V。

（2）直流輸入電流調節范圍為6～56 A。

（3）過、欠電壓保護性功能。當輸入電壓超過額定值的±10%時，電源自動保護，切斷電源輸出；當交流電壓波動范圍≤額定值±20 V時，負載電源自動恢復工作。

（4）直流輸出電流的限制功能。

（5）短路保護功能。電源對瞬間短路有斷電保護功能，且在30 s延時后可自動恢復運行供電功能。

（6）電源過溫保護。當電源內溫度達到（55±3） ℃時，充電電源機內風扇自動啟動工作；當電源內溫度達到（90±5） ℃時，回饋裝置應自動停機。

（7）板面功能。當充電電源工作時，面板按鍵的設置功能如表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 面板按鍵的設置功能

經10 dB衰減后，能量回饋裝置EMC測試驗結果如圖5所示，能量回饋裝置實測電壓、電流波形如圖6所示。

5 結 論

本文設計了一種大功率能量回饋裝置，通過推挽逆變電路實現功率轉換，克服了推挽電路的不足，充分發揮了推挽電路結構和控制電路簡單的優勢。電路中，互鎖電路可提高主功率管的抗擾能力，從而穩定、可靠地導通或關斷。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，實現了能量的二次吸收。本方案大大地減小了推挽導通和關斷應力，降低了開關損耗，提高了電路效率。副邊換相開關橋可選用低頻、低成本的開關器件，減小裝置的成本，且對逆變器、UPS及光伏并網裝置有很好的適用性和應用價值。

圖5 輸入滿載EMC測試結果波形

圖6 輸出10.58 kVA/8.156 kW時的輸出電壓及電流波形