新型能量變換與控制技術在高功率微波系統(tǒng)中的應用研究.pdf

1、電源（初級能源系統(tǒng)）是高功率微波系統(tǒng)的必備環(huán)節(jié)，能量變換與控制技術是電源的核心技術，為了滿足高功率微波系統(tǒng)朝著高功率，小型化和輕量化方向發(fā)展的需求，開展新型能量變換與控制技術的研究是必要的。
　　目前普遍使用的電源一般采用存在中間直流儲能環(huán)節(jié)(DC-Link)的電源技術，中間儲能環(huán)節(jié)的存在必然會增加電源系統(tǒng)的體積和重量，降低了電源的功率密度;另外這種供電系統(tǒng)的供電質量不高，其功率因數(shù)較低、諧波含量較大，為了進行校正或抑制，必然需要

2、引入額外的電力電子器件，這樣又進一步降低了供電系統(tǒng)的功率密度。為了解決這一問題，研究基于新型能量變換與控制技術的電源，提高高功率微波系統(tǒng)供電電源的功率密度和降低諧波就變得尤為重要。國外提出了基于AC-Link技術的能量變換與控制技術，AC-Link技術在結構上省去了直流儲能環(huán)節(jié)，減少了能量變換的過程和整流部分無源器件的數(shù)量，有效提高了開關電源的功率密度和效率。因此AC-Link技術在開關電源中的應用是一項非常有潛力的電源技術，具有較好的

3、應用前景，必將推動電源技術的進一步的發(fā)展。
　　本文綜述了能量變換與控制技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，詳細分析了能量變換與控制技術的發(fā)展歷程，重點分析了AC-LinkTM技術和矩陣變換器(Matrix converter)相關技術的發(fā)展。
　　圍繞應用于高功率微波系統(tǒng)中的高壓充電電源系統(tǒng)展開工作，首先對AC-LinkTM串聯(lián)諧振交-直(AC-DC)變換器和AC-DC矩陣變換器的拓撲結構及控制技術進行了詳細的分析。AC-LinkTM

4、串聯(lián)諧振AC-DC變換器由三相輸入濾波器、開關矩陣、電感和電容(LC)諧振充電和放電、續(xù)流開關、輸出濾波器和負載組成。該拓撲結構具有故障免疫的功能。變換器在一個工作周期包含諧振充電和諧振放電兩個工作環(huán)節(jié)，整個工作過程中關鍵是控制開關自然換流時間?？梢酝ㄟ^調節(jié)中心電容器的殘壓和頻率來調節(jié)輸出功率。由于負載為電容，該電路結構在工作時存在一些缺陷，對該電路拓撲結構進行了優(yōu)化，使得其更適用于電容負載場合。充電初期，為恒流充電模式，在充電后期可以

5、采用恒功率充電模式，降低了電源對供電系統(tǒng)功率容量的要求。但無論改進前還是改進后的拓撲結構都存在輸出放電開關和續(xù)流開關電壓應力大的問題。
　　AC-DC矩陣變換器采用雙向開關和并聯(lián)諧振拓撲結構，實現(xiàn)零電流開關，采用輸入預測控制和諧振電路預測控制兩種控制方式。輸入預測控制維持輸入功率恒定，在低Q值時，預測值不再精確且控制策略的性能降低。諧振電路預測控制根據(jù)諧振電路運行的結果來選擇開關狀態(tài)，基本的控制策略會導致輸入電流低頻畸變非常嚴重，

6、改進的控制策略通過存儲以前的開關狀態(tài)，且分配不同的開關狀態(tài)來實現(xiàn)。輸入預測控制需要采集三相交流相電壓，輸入線電流和諧振電流的大小，而諧振電路預測控制需要采集三相交流相電壓，諧振電流和諧振電容器電壓，為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，需要采集負載電壓。兩種控制需采集的變量較多，數(shù)據(jù)處理量較大，需要使用FPGA+DSP兩種處理器相結合方式，使得控制器設計和算法較復雜。
　　鑒于以上兩種拓撲結構和控制技術的優(yōu)點和不足，根據(jù)負載為容性的應用需求，提

7、出一種基于AC-Link技術的新型電路拓撲結構。采用了電荷（電流）分配的控制策略，減少了電源產生的諧波，降低了濾波器設計的難度。根據(jù)該電源的特性，提出了4工作過程和3工作過程2種工作模式，對2種工作模式建立分析模型，并給出2種工作模式下控制方程，分析表明:4工作過程，濾波電容器上紋波電壓小，但在高輸出電壓時，不能對電源實現(xiàn)有效的控制;3工作過程簡化了一個工作過程，但濾波電容器電壓紋波較大。針對3工作過程提出了一種簡化的控制方程。對兩種控

8、制方法進行了比較，簡化的控制方程簡單而有效。最后對兩種工作模式的優(yōu)缺點進行了定性的比較，最后選定3工作過程的工作模式。
　　首次利用狀態(tài)平面分析法(State-plane analysis)對基于AC-Link技術串聯(lián)諧振充電電源兩種工作模式進行了詳細的分析。畫出了兩種工作模式的狀態(tài)平面圖，在狀態(tài)平面圖上，標出各個量的幾何關系，利用幾何關系，并結合控制策略，求解出工作時控制量的關系，給出了切換相位、充電周期、續(xù)流周期和諧振電容器電

9、壓隨輸出電壓和三相電網(wǎng)相位變化的關系。對于4工作過程，分析了輸出電壓的限制條件并給出限制條件的表達式。相對于基于表達式的穩(wěn)態(tài)分析方法，狀態(tài)平面分析法在分析基于AC-Link技術串聯(lián)諧振充電電源的特性時，分析結果一致，各個量在圖上都用幾何關系表示，非常直觀。整個分析過程沒有復雜的表達式，求解簡單，效率高。
　　應用Matlab中的Simulink電路仿真軟件，根據(jù)實際線路的參數(shù)，建立了基于AC-Link技術串聯(lián)諧振充電電源的仿真模型

10、，采用3過程的工作模式。給出了主要元器件和端口的波形圖，并進行了簡要的分析。重點研究了“Y”型LC濾波器，給出電壓紋波和電流紋波的表達式，分析了L和C參數(shù)的變化對電壓紋波、電流紋波、電流諧波和功率因數(shù)等影響。最后分析C型吸收電路設計原則和對基于AC-Link技術串聯(lián)諧振充電電源工作的影響。
　　根據(jù)對基于AC-Link技術充電電源理論分析、建模仿真的基礎上，設計了一臺充電速率為60 kJ/s，輸出電壓為50 kV的樣機。在控制系統(tǒng)

11、中包括硬件設計和軟件設計，在硬件設計中，分析了以FPGA為核心的控制方案，由于電源的功率大，且布局非常緊湊，使得控制系統(tǒng)的電磁兼容環(huán)境差，因而詳細論述整個控制系統(tǒng)的各個部分的抗干擾設計。在軟件設計中，提出了相位檢測實現(xiàn)電壓采集的方法，詳細討論相位檢測的方法，減小處理器的存儲空間，加快了處理的速度。
　　論文最后利用設計的高壓充電電源開展實驗研究，驗證理論分析和仿真研究的正確性。分別對三相電網(wǎng)電壓數(shù)字化信號，IGBT驅動信號，輸入線

12、電流，開關電流，諧振電流和輸出電壓等進行了測試和分析。實驗結果表明:控制系統(tǒng)能夠在該電磁環(huán)境中可靠穩(wěn)定地運行。電源平均充電速率為65kJ/s，功率密度為0.6W/cm3;電流波形能夠很好地跟隨電壓波形，實現(xiàn)高的功率因數(shù)，功率因數(shù)測量平均值為0.99，每相總的電壓諧波含量小于2％，總電流諧波含量小于10％;矩陣開關工作在軟開關條件下，且實現(xiàn)軟切換過程，能夠實現(xiàn)高的效率，在阻性測試條件下，效率為90％。分析了線電流波形頂部坍塌及交界點跳變的