单相和三相软开关静止变流器第一章.doc

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单相和三相软开关静止变流器第一章

绪 论 航空静止变流器由于具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点,美国等先进国家已完全用它取代了传统的旋转变流机。本章对航空静止变流器和软开关逆变器技术作了回顾,确定正激直流环节软开关静止变流器为本文的研究重点。 §1-1 航空静止变流器的发展现状 航空静止变流器是航空电源系统的二次电源,将飞机上28V低压直流电变换为单相115V/400Hz、或三相115V/200V、或三相36V交流电,供机上负载使用。 1-1-1 基本要求 静止变流器的基本要求是:可靠性高,成本低,维护方便,体积小、重量轻,电气性能好[1]。主要电气性能指标有:输出频率稳定,输出电压精度高,动态响应速度快,输出正弦电压失真度低,效率高。航空的特殊环境也对静止变流器提出了进一步要求,如高度、温度、湿度、振动冲击、抗电磁干扰等等[41]。 随着飞机战斗性能的提高和用电设备的不断增加,对静止变流器也提出了更高的要求。具有高效、高可靠性、高功率密度、输入与输出之间有电气隔离的变换器才能满足上述要求。而变换器实现高效、高可靠性、高功率密度的关键是采用高频软开关技术。 1-1-2 硬开关和软开关 电路高频工作有助于减小磁性元件和滤波元件的体积和重量,实现高功率密度,加快系统的动、静态调节速度,提高电气性能。工作频率的提高与功率器件的开关状态-硬开关和软开关相关。 所谓硬开关是指功率器件在同时承受电压和电流的状况下开通和关断,因此开关损耗大。感性负载关断时引起的电压尖峰和容性负载开通电流使功率器件开关条件恶化,开关应力大。此外,硬开关电路存在较大的电磁干扰(EMI-Electronic Magnetic InterfaceEMI等因素限制了硬开关电路高频工作。 为改善器件开关状态,在脉宽调制(PWM-Pulse Width Modulation)技术和谐振技术的基础上应运而生软开关技术。所谓软开关是指功率器件在开通和关断时所承受的电压或流过的电流为零,即实现零电压开关(ZVS-Zero Voltage SwitchingZCS-Zero Current Switching)。减小甚至消除了开关损耗,开关应力低,EMI和噪声小,工作频率可以提高一个数量级。不仅减小了电路的体积和重量,也提高了电路工作的可靠性和电气性能。需要说明的是,软开关变换器并不都比相应的硬开关变换器效率高[2],提高效率不是采用软开关技术的唯一目的。 针对软开关变换技术的研究已取得了不少成果。将软开关技术应用到航空电源系统中也成为航空电源的研究方向。 1-1-3 国内外发展状况 美国及一些欧州国家对航空静止变流器的研究较早,投入经费也较大,研究处于较高水平,现已研究发展了三代产品。 第一代静止变流器的典型产品是美国JET电气技术公司于1984年研制的SI-2500LP方波、准方波静止变换器[3],电路图见图1-1(a)所示,由推挽电路和输出交流滤波电路构成。它以400Hz开关频率低频工作,通过改变脉宽实现输出调压。该静止变流器采用主从并联逆变技术;保护功能完善,具有湿度监控、过/欠频控制、过流保护、输入过/欠压保护和远距离关断等功能;采用的磁芯材料有较高的饱和磁感应强度,尽管开关频率很低,整机的重量较轻;滤波电路复杂,输出电压失真度大;主功率管采用晶体管并联,驱动复杂;控制电路采用分立元件,集成度低。阶梯波合成静止变流器是另一种常见的静止变流器构成方案,由升压直流变换器和阶梯波合成逆变器构成(图1-1(b))。它通过N个相位相差π/N的逆变器或变压器副边N个绕组来实现波形叠加,形成阶梯波合成。输出电压的调节靠升压直流变换器来实现。该方案输出电压谐波分量较小,但电路复杂,所用元器件较多,每个逆变器仍以400Hz频率工作。 由美国航空仪表(AI-Avonic Instruments)公司生产的AI-1000静止变流器[4]是第二代产品,由反激式隔离型直流变换器和单相桥式逆变器构成,电路图见图1-1(c)。高频变压器实现隔离,开关频率提高到21?6kHz;直流变换器和逆变器分别闭环控制;采用了电流滞环控制两态调制技术、MOS功率器件、专用模块、机内自检、故障诊断等,减小了体积和重量,提高了稳态和动态电气性能及过载能力。并且能够由单相变流器组合得到三相变流器。美国许多公司,如Sundstrand公司、Alliedsignal公司和KGS公司生产的静止变流器,单机容量高达1800VA,模块化结构是其一大特色,如由两台1KVA单相静止变流器组合可得到2KVA单相输出,三台1KVA单相静止变流器组合可得到3KVA三相输出。但该类静止变流器都用硬开关变换技术,限制了开关频率的提高。例如美国生产的1B型航空用静止变流器,当用GTR双极型晶体管时开关频率为20KHz,用MOSFET功率场

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