一种具有高频环节的SPWPM变换电路的研究.docx
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一种具有高频环节的SPWPM变换电路的研究
一种具有高频环节的SPWPM变换电路的研究
(电力电子技术)1997年第4期1997.11
一
种具有高频环节的SPWPM变换电路的研究
ResearchoilaNovelSPWPMConversionCircuitwithHFL-mk
空军雷达学院吴保芳赣向东姚国颡(武汉430010)卫/
一一1NZ∈’
\摘要:
提出了一种新的谓制方式.该方式通过有效地变动单极性SPWM电压波形的结构.得到sP.
WPM电压波形SPWPM电压波形舍有SPWM波的所有信息,但不舍谓制波的频率成分.因此可利用
高额变压器进行耦台恃辖.通过解调,SPWPM波又可恢复为常规的SPWM电压波形.这样,大大地减
小了变换装置的体积和重量.提高了效率,减小了听觉噪声.
Abstract:
Thispaperproposesa唧methodofmodulation.Thr0I1ghchangingthecompositiono/single-
p0h曲SPWMwave.aⅡ哪SPWPMWavebeob~nod.whichincludesthewholeinformations0fSPWM
waveexceptthemodulated8igl1alfrequency.Therefore.theflew啪vecanhetransmittedbyhifrequency
tralk~orrner.Itcanbereturnedtothec∞啪n0rIalSPWMwavebydemodulatkmSo,出epowe~3I1pplys脚
h撼reducedweightandvoltm~ewithin旺ea5ede珏iciencyanddoc~easedno.一
叙词:
皇堡『曼倒,正弦脉宽脉位调制童塑堕/Z与
K灯Ⅷmk:
voItwave蛔;PWM/SPWPM;耶link
1引言
脉宽调制(PWM)技术是近几十年来在电
力电子变换器中广泛应用的一种方式.在静止
变频电源中采用正弦脉宽调制时,由于输出电
压中含有调制波的频率成分,为了实现输入,输
出阿的电气隔离和得到合适的输出电压幅值,
必须在电路中安装一个低频变压器.这个笨重
庞大的低频变压器是实现DC-AC变换装置小
型轻量化的主要障碍.它使得整个变换装置的
综合指标和性能价格比低,适应性差.
近几年来.在改造SPWM技术方面作过许
多有益的尝试[1,2J,4J.其中采用高频电力变换
技术是有效途径之一.因为磁通变比主要由高
频交流电压来决定.隔离变压器的体积可大
大缩小,同时由于高频化,滤波电感和电容的尺
寸也可以减小.
图1示出两种带高频环节的静止变频电源
的拓扑.图h因多了一级功率环节,使电路拓
扑复杂化,可靠性下降,成本提高.图lb虽无
内部直流环节,拓扑结构简单,但同图1a中的
SPwM逆变器一样.周波变流器也工作在硬开
关状态.开关损耗大,限制了开关器件的工作频
率.
.本文提出一种新型的具有高颇环节的
SPWPM工作模式,较好地克服了上述缺点.
Ⅻ虹#
DeL=二
图1具有高频环节的DC-AC变换电路
(a)内部有直流环节的高频隔离方式
(b)内部无直流环节的高额隔离方式
2sPwPM控制策略的新构思
为了消除调制波频率的影响,提高隔离变
压器的传输频率.本文提出了一种新的调制解
调方式.其构想是;先有效地变动单极性
SPWM电压波形的结构,得到另一种新的渡
形..新波形中含有原SPPWPM有关波形图
在单极性全桥SPWM逆变器中,为了得到
频率,的正弦电压,全桥两臂的控制信号可由
两个互为反相,频率为的正弦电压.,gc2
分别与频率为,丁的锯齿波”进行比较获得.
其交点即确定开关v,~v|的转换时刻.图
2c,d所示为V,和的控制信号.每个桥臂
上,下两管的控制信号为互补关系.逆变器的
输出如图2e所示的单极性SPWM波形.
对照图2b和e发现,单极性SPWM波形
的幅值变换点对应着正弦波与锯齿波的交点.
因此,这些交点即包含了这种调制方式的所有
信息.利用下降沿触发分别对Q】,Q进行二
分频,并用所得分频信号O,,Q3作为v,和
的控制信号.桥的上,下两管的控制信号依然
保持互补关系经主电路倍颧,在逆变器的输
出端便可得到图2所示的与载波频率相同的双
极性三电平的.这种新的调制方式即为正
弦脉宽脉位调制(SPwPM).
3频谱分析
利用电子线路CAD中应用较为广泛的
PSPICE软件包对SPWPM电路进行了仿真分
析_6(调制频率=400Hz.载波频率,T=
25.6kHz).调制和解调后的波形频谱如图3
所示.图3a为SPWPM渡AB的频谱,图3b
为解调后的SPWM波形的鞭谱.由圈可知,
SPWPM波形中不含谓制渡的频率成分,它
的低组谐波在载波频率一半(,T/2)的周国.因
此非常适合于用高频变压器传输.而解谓詹的
波形又和常规的SPWM波一样,恢复了调制信
号的频率成分,且其低组谐波的中心糖率往
高处移到了,T处.调制波与高次谐波频率相
隔甚远,很容易用低通滤波器将高次谐波谴掉.
———————
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图3调制和解调后的披形频谱分析
4实验电路及工作原理
4.1主电路
主电路结构见图4.变压器T1的初级侧
由V~V4构成调制网络,输出鞭率为2s.6kHz
的高频交流电压.开关的控错信号如图2f,g
所示,桥的上,下两控制信号互补.脉冲变压器
Tt的初级电压”1及次级电压”的波形如图
2j所示.
图4主电路结构
变压器T.的次级侧为懈调网络.v5,
和,,,8分别构成双『龟开关sN,sp,其控制信
号如图2h,i所示.两个双向开关对应于调翻
波”c1正半周时把SPWPM波形”2整流成正
方向的电压,在uc1的负半周时整流成负方向
L
L—
bCdefgh-】
(gg力电子技术)1997年第4期199711
的电压,如图2e所示.再经滤波网络,输出希
望的调制波频率的正弦电压.由于脉冲变压器
T次级的电压:
为双极性三电平,所以和
SP是电平为零期间进行切换的软开关,能够做
到零电压开通和关断.开关管的动态损耗较小.
sN,SP的控制信号不应有死区.否则滤波
电感和变压器绕组在此期间处于开路状态.电
流则会出现间断.这将激起较高的感应电势,
势必危及功率管的安全.为使SN,SP平滑换流
以及滤波电感中的电流连续,SN和SP应有适
当的共态导通时间.共态导通时间f一由下式
确定:
f一=L.0/2
式中L.——漏感
.2——次级感应电势
i0——负载电流
共态导通时间f应与SN和SP的换流时
间t△相适应.若te<f△.则为强迫换流.开
关管损耗较大.若f~>tA,则两管有可能在
“,≠0时重叠,引起较大的环流.为抑制环流
的发生,可将滤波电感分为两部分,如图4.共
态导通时间的长短可通过控制电路加以调控.
因负载阻抗性质的不同,负载电流i.和电
压u.的相位差也不尽相同.由于sw和SP均
为双向开关,所以图4电路能够四象限运行.
4.2控制电路
控制电路主要由数字集成芯片,EPROM,
D/A以及少数线性集成芯片组成.图5为其功
能方框图.图中,锯齿波发生器产生载波频率
的锯齿渡”,同时也输出同频率的时钟信号
送到计数器,作为EPROM的地址扫描信号,以
达到同步调制的目的.通过改变时钟频率即可
方便地调节输出频率.
图6示出参考正弦波产生电路.我们采用
规则采样法离线算出正弦波的数据并存于
EPROM中,由地址扫描信号将其读出,由D/A
转换产生标准的台阶正弦”cI.极性和幅值控
制电路实际上是一个单位增益放大器.模拟开
关s由与调制波同频率的方渡控制.s接通,
Ni的增益为一l,S断开,N1的增益为+1.NI
输出正负对称,与调制波同步,同频且半波幅值
与控制电压相等的方渡.该方波信号再控制
D/A的”端.”的极性控制了参考正弦的
正负半周,f的高低控制了参考正弦的幅值.
改变控制电压,相当于改变了幅度调制比m.
因而也达到了调节输出电压u.的目的.
图5控制系统框图
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图6参考正弦产生电路
SPWPM形成电路将参考正弦”c1,.分
别与”“进行比较.得到SPWM信号.两路分
别再二分频取反,可得SPWPMI~SPwPM4,分
别作为v~的门极控制信号.次级的解调
控制信号由时钟分频得到,经共态导通时间控
制电路后,作为SN,SP的门极控制信号.
5实验结果
本实验装置参数如下:
交流输入220V±10%50~6O}王z
交流输出115V±5%可调
400Hz±5%可调
功率500W
总谐波含量THD<3%
电压调整率1%
效率约8O%
实验装置输出端的电压波形见图7.
羽穗藤工鲎
嚣
一
种具有高频环节的新型SPWPM变换电路的研究47
圈图7滤波器输出的400Hz正弦电压
参考文献
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[碗士学位论文],空军雷达学院,1992.
6孙鹤旭等.电力电子系统计算机仿真和辅助分
析哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,l994
作者简介
吴保芳:
男,1946年l0月生,副教授.主要从事静止变频技术的教学与研究.
档向末:
男.1969年4月生,助教,硕士研究生.电力电子技术专业.
挑国颇:
男.l955年6月生,教研室主任,讲师电力电子技术专业
收到初稿日期:
1996-06-19
收到定稿日期:
199%05-09
(上接第43页)
220V时,I{=1.25A,Ud=310V.Id=0.85A.
~0_958口
因为电抗器和开关管也有功耗,所以总的
>O.958,如果校正电路的效率=0.97.则
≈O988.
/—?
.
\—/
图5实测波形
5结束语
大屏幕彩电开关电源采用全波整流直流电
解电容滤波时的在0.65~0.85之间,比较
低.而采用PFC后,可使提高到0.98以上,
每台彩电可节电60--100W.采用PFC专用芯
片,可方便地实现校正电路,且效果良好,可靠
性也高.
参考文献
1李爱文等.现代功率因数校正技术(PFCM)及
其应用.山东电力技术,l996,90(4):
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2陆鸣等电潭专用集成功率因子校正器件
UC1854第11届全国电源技术年会论文集,北京:
1995:
460~468
3王占友.陈辰译,J.WMcClean减小开关电源
中的PFC电感器的尺寸电子产品世界,电子元件,
1996(11):
53~62
收到初稿日期:
1997.01.03
收科定稿日期:
1997.08.10
作者简介
丰洁:
女.1963年l0月生.讲师.研究方向为电气技术覆自动化技术.
季爱文:
男,1963年9月生.硕士,副教授.研究方向为特种电源技术,现代电力电子应用技术及自动化技术.
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- 一种 具有 高频 环节 SPWPM 变换 电路 研究