郑颖楠,王 亮,张 霞

(燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004）

新型高频大功率移相叠加 3电平逆变器

郑颖楠,王 亮,张 霞

(燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004）

提出一种具有高频率、大功率正弦电压输出能力的逆变器新拓扑和控制方案。这种逆变器可以使用工作频率等于输出电压频率的开关器件并且具有很好的正弦波形品质,适合于超声波精密加工、清洗或者大功率电化学工业以及超声波污染治理等方面使用。通过实验得到了逆变器输出品质和效率方面的参数,证实了三电平逆变器方案的可行性。

三电平逆变器;高频正弦波;移相叠加;THD

1 引言

高频正弦电源是一类适用于金属精密焊接、物品清洗、超声化学、半导体芯片制造和高速电机驱动、超声电机、压电振子驱动等特殊场合应用的特种超声电源[1,2]。随着应用领域的扩展,对供电功率和供电品质的要求也日益提高。因此更高品质和更大功率输出能力的高频逆变器成为一种需求。最初用于产生高频正弦输出的电源采用类似电子振荡器的方案,功率很小。随着功率需求的提高,改用同频率方波结合输出滤波器方案,目前的绝大多数高频正弦电源就是用全桥电路产生方波然然后使用输出滤波器的拓扑[3,4]。采用这种逆变器拓扑的根本原因在于目前开关器件的工作频率无法使用各种成熟的 PWM调制方式。因为开关器件的最高工作频率和逆变频率相差无几,无法在远高于输出频率之上的频率下工作,是一种没有办法下的权宜方案。然而,这样的拓扑带来的缺点是输出滤波器必须负担很高的谐波成分因而体积很大,损耗非常可观,导致整机效率愈加低下。输出功率的增加所导致的严重发热问题给设计和使用带来越来越严重的困难,效率低下和滤波器体积庞大逐渐成为使用这种拓扑的障碍。重新简单启用早期出现的波形叠加方案[5]自然也是一个可行的办法。但是,早期的解决方案存在的问题是功率器件数量过多,以单相三阶梯波叠加逆变器为例就需要 12个功率器件,高频工作时,不但驱动电路多,器件损耗也会相当可观。因此,改进实现波形叠加逆变器的拓扑,降低器件使用数量和损耗水平,对解决工程需求有重要意义。本文提出一种阶梯波叠加逆变器改进拓扑,能够实现大功率、高输出品质的高频率正弦波电源。这种拓扑的功能等价于早期的拓扑和性能,但是使用的器件数量得以大幅度减少,从而使电源的输出品质和效率得到了保证。本方案在 200瓦实验样机上实施。实验数据证实该逆变器拓扑具有较好的输出品质和较高的效率。

2 新型移相叠加 3电平高频逆变器拓扑

早期的多重叠加逆变器[5]构成原理如图 1。每个方框代表一个使用四个器件的 H桥式方波逆变器。有关阶梯波叠加逆变器的波形分析以及消除谐波的能力等方面,早有成熟文献做了深入分析[5],这里不再复述。

本文提出的移相叠加 3电平逆变器主电路拓扑示于图 2。它由四个桥臂构成,其中(S7、S8）是公共桥臂,其余桥臂与公共桥臂移相配合,用于实现多电平叠加构成准正弦波形。四个桥臂的控制波形和输出的准正弦电压波形示于图 3。u0为公共桥臂的使能控制信号,u1是第一桥臂(S1、S4）的控制波形,第二桥臂(S2、S5）的控制波形为 u2,第三桥臂(S3、S6）的控制波形为 u3,u是理论输出电压波形。

图1 早期多重叠加逆变器原理电路Fig.1 Principle circuit of early multiple overlapping inverter

图2 移相叠加三电平逆变器主电路Fig.2 Main circuitof phase-shifted and overlapping three-level inverter

图3 移相叠加 3电平逆变器控制波形与输出电压波形Fig.3 Control voltage and output voltage waveforms of phase-shifted and overlapping three-level inverter

由于改进的逆变器拓扑使用了一个公共桥臂,从而减少了开关器件的数量。对比三重叠加的三个单相逆变器方案少用了四个主开关器件。对于 N阶梯波,新拓扑可以节省(2N-2）个器件。

3 移相叠加 3电平逆变器的控制

所提出的逆变器由于公用一个桥臂,因此在控制信号的形成上有别于早期三个单相叠加的逆变器。除公共逆变桥臂外,其余三个逆变臂的控制信号需要按照一定规律构成。图 4给出了一种方案。由六个电平同时作用于决定逆变器输出频率的三角载波,得到不同宽度的方波脉冲,第一逆变臂上面开关的控制信号由按时间顺序第一方波信号的上升沿和第三方波信号的下降沿决定;第三桥臂上面开关的控制信号则由第三个方波的上升沿和第一个方波的下降沿决定;第二逆变臂上面开关的控制信号刚好与第二个方波电平一致。三个逆变桥臂的下面开关的控制信号依此类推。显然,调节各个调制电平就可以实现调节移相角的目的。这种规则很容易用简单组合逻辑实现,在此不做介绍。

图 4 移相叠加 3电平逆变器控制信号产生原理Fig.4 Control signal generation principle of phaseshifted and overlapping three-level inverter

虽然在控制逻辑上相对复杂,但是对比节省开关器件用量,还是非常值得的。应该指出,使用这样的控制方式不仅仅可以通过调制实现电压调节,也可以通过改变三角载波频率实现输出频率的调节。也就是说可以构成变频、变压的高频正弦电源。

如果采用直接调制的方法来调节输出电压,可以使用一个共用的电压信号经由不同增益的放大器来产生六个调制电平,使用时改变这个共用的控制电平就可以实现整体的调制控制。

4 移相叠加多电平逆变器输出滤波器

采用移相叠加的多电平方案后逆变器输出的电压中的谐波含量远比方波低。这就为输出滤波器减轻了负担。一方面可以通过适当的阶梯波形设计消除指定次谐波,理论分析显示其它次谐波也较方波输出可以得到有效衰减。滤波器的尺寸与需要滤除的谐波分量大小和功率有关。但是实现相同频率特性的滤波器参数却存在着不确定的组合。由于输出几十千赫兹频率的逆变器大多用于给压电类电器供电,所以通常采用串联形式的带通输出滤波器,利用其选频特性阻断其它频率分量达到滤波目的。对于确定的输出频率,带通滤波器的参数可以存在多种不同的组合,有关滤波器分析与优化设计将在另文介绍。

5 实验

设计了一台 200瓦高频逆变器样机,负载是用于清洗的压电震动子。实验采用 60伏直流电源作为逆变器直流母线,输出功率 80W的压电振子,其特性参数为:等效并联电容 C0:3.88nF,等效串联电感 Lk:43.79mH,串联电容 Ck:360.77pF,等效电阻Rk:14.5Ω。其串联谐振频率为 40.0376kHz,并联谐振频率为 41.8329kHz。图 5是获得的输出电压实验波形,其中阶梯波是移相叠加逆变器的输出电压波形,正弦波是滤波器的输出波形。图 6是输出滤波器输出电压的频谱,THD为 0.401%。很好地达到了改善输出波形质量的效果。

实验着重测试了输出电压纹波、逆变器效率和对滤波器的改善情况,表 1给出了四组不同滤波器参数下的整机测试数据,可以看出采用本文提出的拓扑可以极大地减小滤波器的体积和发热。

图 5 移相叠加 3电平逆变器实验波形Fig.5 Experimentalwaveforms of phase-shifted and overlapping three-level inverter

图 6 移相叠加 3电平逆变器输出电压谐波频谱Fig.6 Output voltage harmonic spectrum of phase-shifted and overlapping three-level inverter

表 1 四组实验数据对比Tab.1 Comparison of four groups of experimental data

表 2 方波逆变器和叠加多电平逆变器对比Tab.2 Comparison between square-wave inverter and overlappingmulti-level inverter

表 2是在采用上述压电振子,同样滤波器参数(L:546μH;C:24.3 nF）时,使用传统方波逆变器和使用新型叠加波逆变器的效果对比数据。可以看出由于降低了滤波器的负担,采用新型的叠加多电平逆变器拓扑比方波逆变器整机效率提高近 10%。

6 结论

采用本文提出的利用共用桥臂实现移相叠加的多电平逆变器新拓扑与传统拓扑相比可以减少(2N-2）个功率器件,有利于提高整机效率;与方波逆变器相比输出电压谐波含量低,可以降低输出滤波器的尺寸和功耗。从而抵消因器件增多而带来的功率损失增加的问题,通过合理设计,整体效率可以比方波逆变器提高 10%。

References）:

[1]Henryka Czyz.On the concentration of aerosol particles by means of drift forces in a standing wave field[J].Acoustica,1990,70(1）:23-28.

[2]Kotyusov A,Nemtsov B.Induced coagulation of sound particles under the action of sound[J].Acoustica,1996,82(5）:459-463.

[3]徐涛 (Xu Tao）.关于超声波发生器电源技术的发展(Development of power supply technology for ultrasonic wave generator）[J].洗净技术 (Cleaning Tech.）,2004,(6）:10-17.

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A novel phase-shifted and over lapping three-level inver ter with high power and high frequency output

ZHENG Ying-nan,WANG Liang,ZHANG Xia
(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

This paper proposes a kind of inverter topology and controlmethod with a capability of high-frequency,high-power sinusoidal output.Switching deviceswith operating frequency equal to thatof the output voltage can be used in this kind of inverter.Moreover,ithasa good quality of sinusoidal waveform.It is suitable formany app lications such as ultrasonic precise machining,cleaning,high-power electrochemical industry,ultrasonic pollution control and so on.By experiments,the parameters aboutoutput quality and efficiency are acquired,which demonstrate that the three-level inverter scheme is practicable.

three-level inverter;high-frequency sinewave;phase-shifted overlapping;THD

TM464

A

1003-3076(2010）01-0001-03

2009-04-23

郑颖楠 (1955-）,男,河北籍,教授,主要从事电能高频变换与控制技术方面的研究。