CN103746561B - 一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置及其控制方法。本发明的高频隔离型变频装置包括：数字信号处理单元、驱动电路、高频调制电路、高频隔离变压器、脉冲整流电路、脉冲换向电路、低通滤波电路。本发明的高频隔离型变频装置结构紧凑，功率密度和电能变换效率高，工作稳定可靠，易于实现功率单元模块化。本发明相比现有高频全桥隔离型变频电路，仅在低压侧完成高频变换，开关管电压应力和开关损耗小，变换效率和可靠性高，且具有高压输出能力。

Description

一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子工程技术领域，具体涉及一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置。

背景技术

为了实现幅值可调的高压交流电输出，传统办法是使用自耦调压器。然而，自耦调压器的输入输出端采用共地连接，并非严格意义上的电气隔离，且无法实现输出频率的调节。在调压过程中，机械电刷有火花产生，不能满足石油钻探、天然气开采等易燃易爆场合的安全生产要求。此外，大功率调压器一般体积笨重，工频噪声大，给外场使用造成了诸多不便。现代电力电子技术的高速发展，使得对于正弦电压幅值和频率的电控调节成为可能。为了提高装置的电压匹配性、电磁兼容性和安全性，往往要求变频装置具备隔离输出能力。若采用在普通全桥变频电路后端加装体积庞大的工频变压器，则系统功率密度将大打折扣。

目前，已有采用全桥变换电路的高频隔离方案，利用体积小巧的高频变压器实现电气隔离，大大提升了变频装置的功率密度。该方案通过全桥变换电路、高频变压器和快恢复整流桥将低压直流变换为幅值恒定的高压直流，再经过普通全桥变频电路输出滤波之后，可得到理想的正弦电压。然而，该方案在变压器输入和输出两侧分别存在两级高频变换，其中高压侧开关管开关损耗和电压应力较大，效率显著降低，系统可靠性不高，因此仅适用于输出电压不高的场合。

近年来，高频链变频技术以其新颖的变换思想，得到了国内外学术界和工业界的广泛关注。该方案首先经过一级高频变换电路，低通滤波之后得到二倍频的脉动直流电压，再经过一级工频换向电路即可输出正弦电压。整个装置仅采用一级高频变换，显著提升了系统变换效率。但传统高频链型变频装置拓扑结构复杂，需要对脉动直流电压的过零点进行精确地锁相和换向控制，过零点附近波形畸变较大，受复杂的拓扑结构和控制方式所限，该方案的实际应用不多。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有高频全桥隔离型变频装置存在两级高频变换，其中高压侧开关管开关损耗和电压应力较大，系统变换效率和可靠性不高，而传统高频链型变频装置拓扑结构复杂，需要对脉动直流电压的过零点进行精确地锁相和换向控制，过零点附近波形畸变较大等问题，从而提供一种综合性能良好且易于实现的高频隔离型变频装置。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置，所述高频隔离型变频装置包括：数字信号处理单元、驱动电路、高频调制电路、高频隔离变压器、脉冲整流电路、脉冲换向电路、低通滤波电路，其特征在于，

所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路，所述数字信号处理单元通过查找正弦表计算得到脉宽按正弦规律变化的脉冲序列信号，并且所述数字信号处理单元包括脉冲劈分模块，所述脉冲劈分模块对该脉冲序列信号进行等脉宽劈分以生成劈分脉冲序列信号，使得所述脉冲序列信号中的每个脉冲被劈分为脉宽相等的正负脉冲对；

所述驱动电路连接至所述高频调制电路，以驱动所述高频调制电路按照所述劈分脉冲序列信号产生相应的劈分脉冲序列，所述劈分脉冲序列包括若干脉宽相等的正负脉冲对；

所述高频隔离变压器对所述劈分脉冲序列进行高频隔离升压；

所述脉冲整流电路将经隔离升压的所述劈分脉冲序列整流为单极性脉冲序列，将所述劈分脉冲序列中的负脉冲整流为等值的正脉冲，所述单极性脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化；

所述脉冲换向电路将整流后得到的所述单极性脉冲序列以待输出正弦波的二倍频率对所述单极性脉冲序列进行换向，输出接近单极性正弦脉宽调制的脉冲序列；

所述低通滤波电路对换向后得到的脉冲序列进行滤波，得到正弦波输出。

进一步地，所述高频调制电路包括第一全桥电路和第一全桥缓冲电容C1；所述高频隔离变压器包括高频隔离变压器本体TM1和隔直电容C2；所述脉冲整流电路包括快恢复整流桥和整流桥缓冲电容C3；所述脉冲换向电路包括第二全桥电路和第二全桥缓冲电容C4；所述低通滤波电路包括输出滤波电感L1和输出滤波电容C5，所述数字信号处理单元分别连接至所述第一全桥电路、所述第二全桥电路。

进一步地，所述第一全桥电路的两个桥臂端点分别连接至直流输入端的正、负极，所述第一全桥缓冲电容C1与所述第一全桥电路并联；所述第一全桥电路的第一桥臂中点与所述隔直电容C2的第一端连接，所述隔直电容C2的第二端连接至所述高频隔离变压器本体TM1第一输入端，所述第一全桥电路的第二桥臂中点与所述高频隔离变压器本体TM1的第二输入端连接。

进一步地，所述高频隔离变压器本体TM1的两个输出端分别与所述快恢复整流桥的两个桥臂中点连接，所述整流桥缓冲电容C3与所述快恢复整流桥并联；所述快恢复整流桥的两个桥臂端点分别与所述第二全桥电路的两个桥臂端点连接，所述第二全桥缓冲电容C4与第二全桥电路并联。

进一步地，所述高频隔离型变频装置还包括泵升制动电路，所述泵升自动电路由泵升制动电阻R1和泵升制动开关T9组成，当所述高频隔离型变频装置的交流负载运行于再生制动工况时，所述泵升制动电路以脉冲宽度调制方式或恒导通方式工作，将泵升能量消耗掉，以确保滤波电路和开关器件的安全运行。

进一步地，所述泵升制动电阻R1与所述泵升制动开关T9串联后，与所述整流桥缓冲电容C3和第二全桥缓冲电容C4并联；所述第二全桥电路的第一桥臂中点与所述输出滤波电感L1的第一端连接，所述输出滤波电感L1的第二端作为所述高频隔离型变频装置第一输出端点，所述第二全桥电路的第二桥臂中点与所述输出滤波电容C5的第一端连接，作为所述高频隔离型变频装置第二输出端点；所述输出滤波电感L1的第二端与所述输出滤波电容C5的第二端连接。

进一步地，所述数字信号处理单元还包括计数器，所述计数器对所述脉冲序列信号中的脉冲进行计数，并且当计数器的数值达到待输出正弦波的半周期相对应的脉冲数时，所述数字信号处理单元控制所述换向电路对单极性脉冲序列进行换向，所述待输出正弦波的全周期对应的脉冲数等于所述高频调制电路的开关频率除以待输出正弦波的基波频率。

另一方面本发明提供了一种用于上述的高频隔离型变频装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

A）将期望输出的正弦电压的幅值和待输出正弦波频率f₁输入所述数字信号处理单元中的单极性正弦脉冲宽度调制模块；

B）通过查询所述数字信号处理单元中内置的正弦表格，根据冲量面积等效原理，计算对应于所输入的正弦波频率和幅值的单极性正弦脉宽调制脉冲宽度；

C）经过所述数字信号处理单元中的脉宽劈分模块，将计算所得的单极性正弦脉宽调制脉冲宽度除以2，得到应输出的正负两个双极性脉冲中的单个脉冲的宽度；

D）控制所述第一全桥电路在变压器低压侧以较高的开关频率动作，从而生成所述劈分脉冲序列，其中，所述劈分脉冲序列中的正负脉冲对的脉宽根据步骤C）中计算确定；

E）通过所述高频隔离变压器对所述劈分脉冲序列进行隔离升压；

F）对经隔离升压的所述劈分脉冲序列进行整流，以整流为单极性脉冲序列，所述单极性脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化；

G）对整流后得到的所述单极性脉冲序列以待输出正弦波的二倍频率对所述单极性脉冲序列进行换向，输出接近单极性正弦脉宽调制的脉冲序列；

H）对换向后得到的脉冲序列进行滤波，得到正弦波输出。

需要说明的是，本文中所提到的正、负脉冲对指的是宽度相等、极性相反的两个连续脉冲。并且，优选地，正脉冲和负脉冲之间具有预定死区时间。

本发明的优点在于：

1、本发明能够实现输入和输出的物理隔离，且结构紧凑，功率密度高，安装、使用和日常维护都非常方便。

2、本发明相比现有高频全桥隔离型变频电路，仅在低压侧完成高频变换，开关管电压应力和开关损耗小，变换效率和可靠性高，且具有高压输出能力。

3、本发明相比传统的高频链型变频电路，第二全桥电路和第一全桥电路自然同步，无需对单相电路固有的二倍频脉动直流电压过零点进行精确的闭环相位跟踪，控制简单可靠，且可省去快恢复整流桥后端体积庞大的无源滤波器。

4、本发明能够实现输出电压幅值和频率的电控调节，可满足电机类机械负载的变频调速需求。整个调节过程无火花产生，可满足石油钻探、天然气开采等易燃易爆场合需要较高电压输出的生产要求。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的基于脉宽劈分的高频隔离变频装置的主电路拓扑结构图。

图2为图1所示实施例中的高频隔离变频装置的控制框图。

图3为图1所示实施例中的高频隔离变频装置第一全桥电路驱动波形仿真图，自上而下的四张子图依次为第一全桥电路中四个开关管T1～T4的门极驱动电压波形u_GS1～u_GS4。

图4为图1所示实施例中的高频隔离变频装置的第二全桥电路驱动波形仿真图，自上而下的四张子图依次为第二全桥电路中四个开关管T5～T8的门极驱动电压波形u_GS5～u_GS8。

图5为图1所示实施例中的高频隔离变频装置控制效果仿真图，其中，自上而下的六张子图依次为：高频隔离变频装置直流输入电压波形u_i，高频隔离变压器TM1输入端电压波形u₁，高频隔离变压器TM1输出端电压波形u₂，快恢复整流桥D1～D4输出电压波形u₃，第二全桥电路T5～T8输出电压波形u₄，基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置输出电压波形u_o。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

本发明的实施例中的额定功率15kVA的测井用高压变频电源的主电路拓扑结构如图1所示。该电路包括第一全桥电路（该第一全桥电路包括开关管T1～T4，其开关频率均为10kHz）、第一全桥缓冲电容C1、隔直电容C2、高频隔离变压器TM1（磁芯工作频率10kHz）、快恢复整流桥（该快恢复整流桥包括二极管D1～D4，其开关频率均为10kHz）、整流桥缓冲电容C3、泵升制动电阻R1、泵升制动开关T9、第二全桥电路（该第二全桥电路包括开关管T5～T8，其开关频率均为50Hz）、第二全桥缓冲电容C4、输出滤波电感L1、输出滤波电容C5。

如图1所示，第一全桥电路的两个桥臂端点分别连接至直流输入端的正、负极，第一全桥缓冲电容C1与第一全桥电路并联；第一全桥电路的第一桥臂中点与隔直电容C2的第一端连接，隔直电容C2的第二端连接至高频隔离变压器本体TM1第一输入端，第一全桥电路的第二桥臂中点与高频隔离变压器本体TM1的第二输入端连接。高频隔离变压器本体TM1的两个输出端分别与快恢复整流桥的两个桥臂中点连接，整流桥缓冲电容C3与快恢复整流桥并联；快恢复整流桥的两个桥臂端点分别与第二全桥电路的两个桥臂端点连接，第二全桥缓冲电容C4与第二全桥电路并联。

优选地，高频隔离型变频装置还可以包括泵升制动电路，泵升自动电路由泵升制动电阻R1和泵升制动开关T9组成，当高频隔离型变频装置的交流负载运行于再生制动工况时，泵升制动电路以脉冲宽度调制方式或恒导通方式工作，将泵升能量消耗掉，以确保滤波电路和开关器件的安全运行。泵升制动电阻R1与泵升制动开关T9串联后，与整流桥缓冲电容C3和第二全桥缓冲电容C4并联；第二全桥电路的第一桥臂中点与输出滤波电感L1的第一端连接，输出滤波电感L1的第二端作为高频隔离型变频装置第一输出端点，第二全桥电路的第二桥臂中点与输出滤波电容C5的第一端连接，作为高频隔离型变频装置第二输出端点；输出滤波电感L1的第二端与输出滤波电容C5的第二端连接。

下面结合图2描述采用高频隔离型变频装置进行控制的方法，如图2所示，虚线框中部分为数字信号处理单元的组成部分，从图中可以看出，数字信号处理单元包括：单极性正弦脉冲宽度调制模块1、脉宽劈分模块2、高频变压器偏磁控制模块3、极性控制模块4、死区产生模块5。图2中标记6代表驱动电路。

在控制方法开始时，首先将期望输出的正弦电压的幅值和待输出正弦波频率f₁输入所述数字信号处理单元中的单极性正弦脉冲宽度调制模块1；然后，通过查询所述数字信号处理单元中内置的正弦表格，根据冲量面积等效原理，计算对应于所输入的正弦波频率和幅值的单极性正弦脉宽调制脉冲宽度；接下来经过所述数字信号处理单元中的脉宽劈分模块2，将计算所得的每一单极性正弦脉宽调制脉冲宽度乘以1/2，得到应输出的正负两个双极性脉冲中的单个脉冲的宽度；

然后，控制所述第一全桥电路在变压器低压侧以较高的开关频率动作，从而生成所述劈分脉冲序列，其中，所述劈分脉冲序列中的正负脉冲对的脉宽根据上述步骤中计算确定。图3示出了对第一全桥电路的驱动波形，自上而下的四张子图依次为第一全桥电路中四个开关管T1～T4的门极驱动电压波形u_GS1～u_GS4。

通过所述高频隔离变压器对所述劈分脉冲序列进行隔离升压。在脉冲序列到达高频隔离变压器时，高频变压器磁芯中产生的磁通沿交流磁滞回线对称地上下移动，磁芯工作于整个磁滞回线，磁芯中的直流磁化分量基本抵消。通过高频变压器偏磁控制模块3检测变压器原边电流I_p中的直流分量，对脉宽劈分模块2输出的正负脉冲宽度进行闭环修正，可进一步省去体积庞大的隔直电容C2。双极性脉冲序列经高频变压器电气隔离升压后，由所述快恢复整流桥D1～D4整流为单极性脉冲序列，每个脉冲中部的窄脉冲宽度与第一全桥电路T1～T4上下桥臂的死区时间相对应。

对经隔离升压的所述劈分脉冲序列进行整流，以整流为单极性脉冲序列，所述单极性脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化。极性控制模块4与脉宽劈分模块2共用同一个正弦表指针，每隔半个待输出正弦波周期进行一次极性控制，对整流后得到的所述单极性脉冲序列以待输出正弦波的二倍频率进行换向，输出接近单极性正弦脉宽调制的脉冲序列。脉宽劈分模块2和极性控制模块4的输出信号经过死区产生模块5和驱动电路6之后，即得到第一全桥电路中四个开关管T1～T4以及第二全桥电路中四个开关管T5～T8的门极驱动信号，最终实现高精度的正弦波输出。死区产生模块5的作用是在正、负脉冲对之间插入一段死区时间（例如，2μs），以确保全桥电路安全工作。具体而言，第二全桥电路以调制波的二倍频率与第一全桥电路协同工作，可实现相位的自然同步。其作用是对高频整流后的单极性脉冲序列以调制波频率进行极性反转，以便还原出接近传统单极性正弦脉宽调制的脉冲序列，最后经过二阶无源低通滤波网络实现高质量正弦波输出。

最后，对换向后得到的脉冲序列进行滤波，得到正弦波输出。

如图5所示，本发明利用MATLAB仿真软件中的SimPowerSystems工具建模，对本发明的基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置进行验证。自上而下的六张子图依次为：高频隔离变频装置直流输入电压波形u_i，高频隔离变压器TM1输入端电压波形u₁，高频隔离变压器TM1输出端电压波形u₂，快恢复整流桥D1～D4输出电压波形u₃，第二全桥电路T5～T8输出电压波形u₄，基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置输出电压波形u_o。由图中可以看出，本发明的输出电压波形正弦度高，谐波含量低，能够实现高品质的正弦电压输出。此外，通过省去传统高频链型变频装置安装在整流桥后端的无源滤波网络，简化了系统结构和控制方式，提升了装置的功率密度和可靠性，易于实现功率单元模块化。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于脉宽劈分的高频隔离型变频装置，所述高频隔离型变频装置包括：数字信号处理单元、驱动电路、高频调制电路、高频隔离变压器、脉冲整流电路、脉冲换向电路、低通滤波电路，其特征在于，

所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路，所述数字信号处理单元通过查找正弦表计算得到脉宽按正弦规律变化的脉冲序列信号，并且所述数字信号处理单元包括脉冲劈分模块，所述脉冲劈分模块对该脉冲序列信号进行等脉宽劈分以生成劈分脉冲序列信号，使得所述脉冲序列信号中的每个脉冲被劈分为脉宽相等的正负脉冲对；

所述驱动电路连接至所述高频调制电路，以驱动所述高频调制电路按照所述劈分脉冲序列信号产生相应的劈分脉冲序列，所述劈分脉冲序列包括若干脉宽相等的正、负脉冲对，每个所述正、负脉冲对之间具有预定死区时间；

所述高频隔离变压器对所述劈分脉冲序列进行高频隔离升压；

所述脉冲整流电路将经隔离升压的所述劈分脉冲序列整流为单极性脉冲序列，将所述劈分脉冲序列中的负脉冲整流为等值的正脉冲，所述单极性脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化；

所述脉冲换向电路将整流后得到的所述单极性脉冲序列以待输出正弦波的二倍频率对所述单极性脉冲序列进行换向，输出接近单极性正弦脉宽调制的脉冲序列；

所述低通滤波电路对换向后得到的脉冲序列进行滤波，得到正弦波输出；

所述高频调制电路包括第一全桥电路和第一全桥缓冲电容C1；所述高频隔离变压器包括高频隔离变压器本体TM1和隔直电容C2；所述脉冲整流电路包括快恢复整流桥和整流桥缓冲电容C3；所述脉冲换向电路包括第二全桥电路和第二全桥缓冲电容C4；所述低通滤波电路包括输出滤波电感L1和输出滤波电容C5，所述数字信号处理单元分别连接至所述第一全桥电路、所述第二全桥电路。

2.根据权利要求1所述的高频隔离型变频装置，其特征在于，所述第一全桥电路的两个桥臂端点分别连接至直流输入端的正、负极，所述第一全桥缓冲电容C1与所述第一全桥电路并联；所述第一全桥电路的第一桥臂中点与所述隔直电容C2的第一端连接，所述隔直电容C2的第二端连接至所述高频隔离变压器本体TM1第一输入端，所述第一全桥电路的第二桥臂中点与所述高频隔离变压器本体TM1的第二输入端连接。

3.根据权利要求2所述的高频隔离型变频装置，其特征在于，所述高频隔离变压器本体TM1的两个输出端分别与所述快恢复整流桥的两个桥臂中点连接，所述整流桥缓冲电容C3与所述快恢复整流桥并联；所述快恢复整流桥的两个桥臂端点分别与所述第二全桥电路的两个桥臂端点连接，所述第二全桥缓冲电容C4与第二全桥电路并联。

4.根据权利要求1所述的高频隔离型变频装置，其特征在于，所述高频隔离型变频装置还包括泵升制动电路，所述泵升自动电路由泵升制动电阻R1和泵升制动开关T9组成，当所述高频隔离型变频装置的交流负载运行于再生制动工况时，所述泵升制动电路以脉冲宽度调制方式或恒导通方式工作，将泵升能量消耗掉，以确保滤波电路和开关器件的安全运行。

5.根据权利要求4所述的高频隔离型变频装置，其特征在于，所述泵升制动电阻R1与所述泵升制动开关T9串联后，与所述整流桥缓冲电容C3和第二全桥缓冲电容C4并联；所述第二全桥电路的第一桥臂中点与所述输出滤波电感L1的第一端连接，所述输出滤波电感L1的第二端作为所述高频隔离型变频装置第一输出端点，所述第二全桥电路的第二桥臂中点与所述输出滤波电容C5的第一端连接，作为所述高频隔离型变频装置第二输出端点；所述输出滤波电感L1的第二端与所述输出滤波电容C5的第二端连接。

6.根据权利要求1所述的高频隔离型变频装置，其特征在于，所述数字信号处理单元还包括计数器，所述计数器对所述脉冲序列信号中的脉冲进行计数，并且当计数器的数值达到待输出正弦波的半周期相对应的脉冲数时，所述数字信号处理单元控制所述换向电路对单极性脉冲序列进行换向，所述待输出正弦波的全周期对应的脉冲数等于所述高频调制电路的开关频率除以待输出正弦波的基波频率。

7.一种用于权利要求1-6中任意一项所述的高频隔离型变频装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

A)将期望输出的正弦电压的幅值和待输出正弦波频率f₁输入所述数字信号处理单元中的单极性正弦脉冲宽度调制模块(1)；

B)通过查询所述数字信号处理单元中内置的正弦表格，根据冲量面积等效原理，计算对应于所输入的正弦波频率和幅值的单极性正弦脉宽调制脉冲宽度；

C)经过所述数字信号处理单元中的脉宽劈分模块(2)，将计算所得的单极性正弦脉宽调制脉冲宽度除以2，得到应输出的正负两个双极性脉冲中的单个脉冲的宽度；

D)控制所述第一全桥电路在变压器低压侧以高开关频率动作，从而生成所述劈分脉冲序列，其中，所述劈分脉冲序列中的正负脉冲对的脉宽根据步骤C)中计算确定；

E)通过所述高频隔离变压器对所述劈分脉冲序列进行隔离升压；

F)对经隔离升压的所述劈分脉冲序列进行整流，以整流为单极性脉冲序列，所述单极性脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化；

G)对整流后得到的所述单极性脉冲序列以待输出正弦波的二倍频率对所述单极性脉冲序列进行换向，输出接近单极性正弦脉宽调制的脉冲序列；

H)对换向后得到的脉冲序列进行滤波，得到正弦波输出。