一种大功率能量回馈装置的实现方法

柯万宇，褚仁林，汤前进，吴 慧

（武汉华中数控股份有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引 言

推挽电路作为DC/DC、DC/AC及AC/AC变换器的拓扑之一，结构简单，变压器双向励磁[1]，利用率高，适用于低电压输入的中小功率场合。推挽架构的电路常用于3 kW以下的中小功率电源。在大于3 kW及其以上功率电源中，通常前级以全桥转换，再经次边整流电路，给后级的电路逆变输出，控制电路较复杂。推挽电路经过了一系列演变，如串联谐振方式[3]和推挽变形方式[4-5]。为实现大功率闭环控制，串联谐振方式需加一级稳压，以使推挽电路更好地工作在谐振状态。推挽变形方式比较适合开环控制，且受其他离散参数的影响，导致其无法被设计人员采用。本文介绍了一种基于一级变换的推挽逆变电路的控制方法，旨在解决现有技术中逆变电路功率转换级数较多、折算效率低的问题。

1 推挽逆变电路组成的能量回馈装置

本设计以推挽拓扑架构的电路实现14 kW的能量回馈装置，如图1所示。

图1 推挽逆变电路的组成的能量回馈装置

将直流源中的能量回馈到电网。推挽电路用于将外部的DC直流源中的直流电压接入至主功率管，在外部逻辑控制电路的控制下，使主功率管轮流导通，使得DC直流源中的能量经变压器进行高频隔离转换。互锁电路接收逻辑控制电路发出的SPWM波信号，实现推挽电路主功率管的控制信号互锁功能。钳位回馈电路是吸收变压器漏感产生的尖峰，按照一定逻辑时序将推挽主功率管的开关尖峰和漏感产生的能量回馈到DC直流源端。整流滤波电路是将变压器次边的能量按全桥整流方式进行滤波。换相回馈电路是将整流滤波后的半正弦波按电网频率和相位回馈电网。逻辑控制电路是接收回馈电网的电压和电流信号，分配逻辑时序给推挽逆变电路和换相回馈电路实现闭环控制。图2是推挽逆变电路组成的能量回馈装置结构示意图。

2 能量回馈装置的硬件设计和控制方法

本设计实例提供的推挽逆变电路通过调整单极性SPWM的占空比驱动推挽管，将输入的DC直流源通过高频变压器隔离变送到整流换相电路进行转换。整流滤波后的正弦半波经4个可控器件按电网频率同相导通，还原成正弦波回馈到电网。换相控制频率为50 Hz方波控制，开关损耗低，效率高。在每个桥臂都串接二极管，可很好地抑制在并网回馈中因电网频率抖动或其他因素产生的环流。在作为逆变器或UPS输出时，可省略换相回馈电路中桥臂上串接的二级管，以节省成本。

本设计实例也可作为UPS和交流逆变器的老化装置，只需将UPS或交流逆变器的输出经整流滤波后送到推挽逆变电路的输入端即可。图3是推挽逆变电路的具体电路。

图2 推挽逆变电路组成的能量回馈装置结构

图3 能量回馈装置的具体电路

3 工作原理

推挽逆变电路，如图3所示。由功率管Q1、Q2及变压器T1组成推挽主功率部分；D1、D2、C1、Q5、D3和L1组成钳位回馈部分；R1、R2、Q1和Q2组成互锁电路部分；变压器T1次边是常规全桥整流滤波结构；Q6、Q7、Q8、Q9和串接在桥臂上的二极管D4、D5、D6、D7组成换相回馈部分。

为进一步说明本设计实例提供的推挽逆变电路，可结合图4进行详述。采样电路将电网电压和电流信号反馈给逻辑控制电路，在逻辑电路的控制下将全波的SPWM信号解调出单极性的SPWM波，经过R1、R2送至推挽管Q1、Q2和Q4、Q3的栅极，如图4（b）、图4（c）所示。由于Q3、Q4的漏极直接连至推挽管的Q1、Q2的栅极，且Q1、Q2、Q3及Q4的源极都接至DC直流源的负端，保证了推挽管的SPWM信号的互锁作用。D1、D2、C1、Q5、D3及L1组成钳位回馈部分，图4（d）是钳位回馈电路中Q5的控制信号。在Q1、Q2推挽管关断的死区时间内导通Q5功率管，即能将变压器T1的漏感能量及推挽管Q1、Q2的开关尖峰有效地经过Q5、D3及L1组成的BUCK电路反馈到DC直流源端，使能量二次利用，其中D1、D2及C1组成BUCK电路的输入部分。推挽电路接收单极性的SPWM信号将DC直流源中的电压经过T1高频变压器转换，在次边的整流滤波电路的C2电容两端还原成全波的半正弦电压，如图4（e）所示。全桥换相电路中的Q6、Q9及Q7、Q8按图4（f）、图4（g）留有0.2 ms死区时间的时序导通，还原成与电网同频同相的电压回馈至电网M端、N端。过零处的死区时间和桥臂上串接的二极管保证能量可靠地回馈电网，防止产生环流[2]。

4 试验结果及分析

本文设计了一台14 kW的能量回馈装置。

（1）直流输入电压调节范围为198～256 V。

（2）直流输入电流调节范围为6～56 A。

（3）过、欠电压保护性功能。当输入电压超过额定值的±10%时，电源自动保护，切断电源输出；当交流电压波动范围≤额定值±20 V时，负载电源自动恢复工作。

（4）直流输出电流的限制功能。

（5）短路保护功能。电源对瞬间短路有断电保护功能，且在30 s延时后可自动恢复运行供电功能。

（6）电源过温保护。当电源内温度达到（55±3） ℃时，充电电源机内风扇自动启动工作；当电源内温度达到（90±5） ℃时，回馈装置应自动停机。

（7）板面功能。当充电电源工作时，面板按键的设置功能如表1所示。

图4 推挽电路各功率器件及端口的控制波形图

表1 面板按键的设置功能

经10 dB衰减后，能量回馈装置EMC测试验结果如图5所示，能量回馈装置实测电压、电流波形如图6所示。

5 结 论

本文设计了一种大功率能量回馈装置，通过推挽逆变电路实现功率转换，克服了推挽电路的不足，充分发挥了推挽电路结构和控制电路简单的优势。电路中，互锁电路可提高主功率管的抗扰能力，从而稳定、可靠地导通或关断。在推挽主电路中，钳位回馈电路将电路中的寄生能量回馈到DC直流源，实现了能量的二次吸收。本方案大大地减小了推挽导通和关断应力，降低了开关损耗，提高了电路效率。副边换相开关桥可选用低频、低成本的开关器件，减小装置的成本，且对逆变器、UPS及光伏并网装置有很好的适用性和应用价值。

图5 输入满载EMC测试结果波形

图6 输出10.58 kVA/8.156 kW时的输出电压及电流波形