CN105226925A - 一种反激式单相逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反激式单相逆变器及其控制方法。该反激式单相逆变器主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、滤波电路，还包括由隔离变压器辅助绕组、解耦二极管、解耦开关管、解耦电容组成的有源功率解耦电路；其控制方法为：逆变桥臂输入电流采样值、中间直流母线电压采样值经过基准生成电路获得电流参考，再通过调制波生成电路、PWM控制电路、过零比较器、逻辑电路以及驱动电路，从而控制隔离变压器绕组上的电流跟踪其参考值。本发明将输出交流功率带来的功率脉动问题由有源功率解耦电路处理，以保证直流电源端输入直流功率。

Description

一种反激式单相逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种反激式单相逆变器及其控制方法，属于隔离型逆变器，其利用有源功率解耦电路来实现低频功率脉动的解耦。

背景技术

近年来，人类对自然环境越来越重视，清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术引起了广泛关注，已出现了一些关于新能源发电的逆变器拓扑及控制方案。对于这种逆变器，交流输出功率中含有的两倍频功率脉动必然会反馈传输到直流输入侧，从而影响蓄电池、燃料电池等输入源的使用寿命，严重时会干扰直流电源***的稳定性，因此解决新能源发电***中的功率纹波问题，提高新能源的利用效率已刻不容缓。虽然这种低频纹波可以用大电解电容来滤除，但在高温工作条件下，电解电容长时间频繁的充放电会导致其使用寿命下降，所以考虑到逆变器的使用寿命和功率密度，不推荐使用电解电容。在电路中接入LC谐振电路，通过将谐振电路频率设计为两倍输出频率，也可以滤除两倍功率纹波，但所需的电感和电容体积都比较大，降低了***的可靠性和功率密度。总而言之，这些常用的依靠无源器件来滤除功率纹波的方法，往往都存在着体积大、成本高等问题。为此，一些学者也在探索其它方法，除了改进电路拓扑外，也提出了新颖的控制策略，不仅可以滤除功率纹波，也可以减小容值以便使用其它更长寿命电容，例如薄膜电容等。

发明内容

本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种反激式单相逆变器及其控制方法，采用这种逆变器和控制方法，既实现了电能变换，又解决了直流输入侧低频功率脉动问题，具有很好的稳定特性。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种反激式单相逆变器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、滤波电路及有源功率解耦电路；其中有源功率解耦电路由隔离变压器辅助绕组、解耦二极管、解耦电容和四个解耦开关管组成；其中隔离变压器原边绕组同名端分别接直流电源正极和输入电容的一端，隔离变压器原边绕组的异名端接原边开关管的集电极，原边开关管的发射极分别接直流电源的负极和输入电容另一端，隔离变压器副边绕组的异名端接副边二极管的阳极，副边二极管的阴极接副边开关管的集电极，每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端，副边开关管的发射极、中间直流母线电容的一端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容另一端和隔离变压器副边绕组的同名端连接，第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的输出端接滤波电路，隔离变压器辅助绕组的异名端接解耦二极管的阳极，解耦二极管的阴极、第一解耦开关管的集电极和第二解耦开关管的集电极相连接，辅助绕组的同名端、第三解耦开关管的发射极和第四解耦开关管的发射极相连接，第一解耦开关管的发射极、第三解耦开关管的集电极和解耦电容的正端相连接，解耦电容的负端、第二解耦开关管的发射极和第四解耦开关管的集电极相连接。其中，逆变桥臂的控制方法为传统单级性PWM调制；其特征在于，该反激式单相逆变器的控制方法还包括以下步骤：

步骤A，检测解耦电容电压信号，中间直流母线电压信号，逆变桥臂的输入电流信号；

步骤B，将步骤A得到的解耦电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算解耦电容电压参考信号与解耦电容电压信号直流分量的差值；

步骤D，将步骤A得到的中间直流母线电压信号和逆变桥臂的输入电流信号输入基准生成电路，获得原边电流参考信号和副边电流参考信号；

步骤E，将步骤C得到的电压差值用PI控制器进行调节，然后加入步骤D得到的原边电流参考信号，获得原边电流实际参考信号；

步骤F，计算中间直流母线电压参考信号与中间直流母线电压信号的差值；

步骤G，将步骤F得到的电压差值用PI控制器进行调节，然后加入步骤D得到的副边电流参考信号，获得副边电流实际参考信号；

步骤H，将步骤E得到的原边电流实际参考信号和步骤G得到的副边电流实际参考信号输入调制波生成电路，获得第一、第二、第三调制波信号；

步骤I，将前述第一、第二调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二逻辑信号；

步骤J，将步骤H得到的第三调制波信号输入过零比较器，获得第三逻辑信号；

步骤K，将前述第一逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再经过逻辑非门，得到原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号一起接入逻辑与门，得到第一、第四解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门，第三逻辑信号经过逻辑非门后，再一起接入逻辑与门，得到第二、第三解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号、第一解耦开关管的控制信号和第二解耦开关管的控制信号一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号；

步骤L，将步骤K得到的原边开关管的控制信号，第一、第四解耦开关管的控制信号，第二、第三解耦开关管的控制信号以及副边开关管的控制信号分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号、副边开关管的驱动信号以及四个解耦开关管的驱动信号，控制反激式单相逆变器。

有益效果：

本发明披露了一种反激式单相逆变器及其控制方法，采用该控制方法将输出交流功率带来的功率脉动引向有源功率解耦电路，从而有效的解耦脉动功率以保证直流电源端输入直流功率。

附图说明

附图1是本发明的一种反激式单相逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图2是本发明的一种反激式单相逆变器进一步等效电路图。

附图3～图7是本发明的一种反激式单相逆变器的各开关模态示意图。

附图8是本发明应用于输出电压220V/50Hz场合下输入电流、辅助电容电压、副边电流及输出电压的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、直流电源。C_i、输入电容。S_p、原边开关管。S_s、副边开关管。S_x1、S_x2、S_x3、S_x4、均为解耦开关管。D_s、副边二极管。D_x、解耦二极管。C_dc、中间直流母线电容。C_x、解耦电容。T、隔离变压器。N₁、隔离变压器原边绕组。N₂、隔离变压器副边绕组。N_x、隔离变压器辅助绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。S₁～S₄、均为功率开关管。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_L、负载。V_dc、中间直流母线电压。v_x解耦电容电压。v_o、输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1是一种反激式单相逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。反激式单相逆变器主电路由直流电源V_i、输入电容C_i、原边开关管S_p、隔离变压器T、副边二极管D_s、副边开关管S_s、中间直流母线电容C_dc、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、滤波电路及有源功率解耦电路组成，其中有源功率解耦电路包括隔离变压器辅助绕组N_x、解耦二极管D_x、解耦电容C_x和四个解耦开关管S_x1～S_x4。N₁是隔离变压器原边绕组。N₂是隔离变压器副边绕组。S₁～S₄是功率开关管。L_f是滤波电感。C_f是滤波电容。R_L是负载。V_dc是中间直流母线电压。v_x是解耦电容电压。v_o、输出电压。

检测解耦电容电压信号v_x，中间直流母线电压信号V_dc，逆变桥臂的输入电流信号i_inv；将解耦电容电压信号v_x经过低通滤波器，获得其直流分量V_x；计算解耦电容电压参考信号V_x-ref与解耦电容电压信号直流分量V_x的差值ΔV_x；将中间直流母线电压信号V_dc和逆变桥臂的输入电流信号i_inv输入基准生成电路，获得原边电流参考信号I_p-ref和副边电流参考信号i_s-ref将电压差值ΔV_x用PI控制器进行调节，然后加入原边电流参考信号I_p-ref，获得原边电流实际参考信号I_p-r；计算中间直流母线电压参考信号V_dc-ref与中间直流母线电压信号V_dc的差值ΔV_dc；将电压差值ΔV_dc用PI控制器进行调节，然后加入副边电流参考信号i_s-ref，获得副边电流实际参考信号i_s-r；将原边电流实际参考信号I_p-r和副边电流实际参考信号i_s-r输入调制波生成电路，获得第一调制波信号M₁、第二调制波信号M₂和第三调制波信号M₃；将第一调制波信号M₁和第二调制波信号m₂分别输入PWM控制电路，获得第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂；将第三调制波信号M₃输入过零比较器，获得第三逻辑信号C₃；将第一逻辑信号C₁输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再经过逻辑非门，得到原边开关管的控制信号Q_p；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号C₃一起接入逻辑与门，得到第一、第四解耦开关管的控制信号Q_x1/Q_x4；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁和第二逻辑信号C₂经过逻辑异或门，第三逻辑信号C₃经过逻辑非门后，再一起接入逻辑与门，得到第二、第三解耦开关管的控制信号Q_x2/Q_x3；将第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂和第三逻辑信号C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C₁、第一解耦开关管的控制信号Q_x1和第二解耦开关管的控制信号Q_x2一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号Q_s；将原边开关管的控制信号Q_p，第一、第四解耦开关管的控制信号Q_x1/Q_x4，第二、第三解耦开关管的控制信号Q_x2/Q_x3以及副边开关管的控制信号Q_s分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号S_p、副边开关管的驱动信号S_p以及四个解耦开关管的驱动信号S_x1～S_x4，控制反激式单相逆变器。

下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图3～附图7叙述本发明的具体工作原理，其中只对直流变换器工作模态进行分析，而逆变桥的工作原理不再赘述。由于直流电源提供的输入功率是恒定的，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率与瞬时输出功率的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式I状态，当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式II状态。

下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，先作如下假设：①中间直流母线电容电压V_dc为定值；②所有功率器件均为理想的；③隔离变压器匝比为：N₁∶N₂＝N₁∶N_x＝1∶n。

1.开关模态1[对应于附图3]

原边开关管S_p开通，变压器激磁电感L_m开始储能，原边电流i_p从零开始线性上升到达参考值I_p-r。电流i_p的高频分量流过输入电容C_i，所以输入电流I_i为一直流量。

第一调制波信号M₁可表示为：

$M_1=\frac{I_{p-r}{L}_m}{V_i{T}_s}----\left(1\right)$

其中，T_s为开关周期。

2.开关模态2[对应于附图4、5]

此阶段可以分为模式I和模式II两种不同的情况。

电路工作于模式I(对应于附图4)：开关管S_p关断，同时开通解耦开关管S_x1和S_x4，变压器激磁电感电流流过解耦二极管D_x、解耦开关管S_x1、解耦电容C_x及解耦开关管S_x4，变压器激磁电感承受反向电压，由于变换器的开关频率高，在一个开关周期内解耦电容电压可看作为定值，电流i_x线性下降到参考值i_s-r时，此模态结束。

电路工作于模式II(对应于附图5)：同时开通解耦开关管S_x2和S_x3，变压器激磁电感承受解耦电容上的正向电压，电流i_x线性上升，当其上升到参考值i_s-r时，解耦开关管S_x2和S_x3同时关断，此模态结束。

第二调制波信号M₂可表示为：

$M_2=\frac{I_{p-r}{L}_m}{V_i{T}_s}+\frac{{\mathrm{nL}}_m|I_{p-r}-{\mathrm{ni}}_{s-r}|}{v_x{T}_s}---\left(2\right)$

第三调制波信号M₃可表示为：

M₃＝I_p-r-ni_s-r(3)3.开关模态3[对应于附图6]

开通副边开关管S_s，变压器激磁电感向负载提供能量，同时中间直流母线电容储能。此阶段内，电流i_s由副边电流参考值i_s-r线性下降到零。

4.开关模态4[对应于附图7]

电流i_s下降到零。此阶段内，副边开关管S_s依然导通，但己没有电流流过，中间直流母线电容提供输出功率。

图8是本发明应用于输出电压220V/50Hz场合下仿真波形。由仿真波形可以看出，输入电流基本为直流电流，说明该反激式单相逆变器能够很好的抑制输出脉动功率引起的直流电源侧低频电流纹波。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种反激式单相逆变器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)增加的有源功率解耦电路有效的抑制了输出脉动功率引起的直流电源侧低频电流纹波，避免使用体积大、可靠性低的电解电容。

2)控制方法简单，无需采样隔离变压器原副边电流即可控制电流的峰值波形。

Claims (1)

1.一种反激式单相逆变器的控制方法，所述反激式单相逆变器包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂、滤波电路及有源功率解耦电路，其中有源功率解耦电路由隔离变压器辅助绕组、解耦二极管、解耦电容和四个解耦开关管组成；其中隔离变压器原边绕组同名端分别接直流电源正极和输入电容的一端，隔离变压器原边绕组的异名端接原边开关管的集电极，原边开关管的发射极分别接直流电源的负极和输入电容另一端，隔离变压器副边绕组的异名端接副边二极管的阳极，副边二极管的阴极接副边开关管的集电极，每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端，副边开关管的发射极、中间直流母线电容的一端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容另一端和隔离变压器副边绕组的同名端连接，第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的输出端接滤波电路，隔离变压器辅助绕组的异名端接解耦二极管的阳极，解耦二极管的阴极、第一解耦开关管的集电极和第二解耦开关管的集电极相连接，辅助绕组的同名端、第三解耦开关管的发射极和第四解耦开关管的发射极相连接，第一解耦开关管的发射极、第三解耦开关管的集电极和解耦电容的正端相连接，解耦电容的负端、第二解耦开关管的发射极和第四解耦开关管的集电极相连接；其中，逆变桥臂的控制方法为传统单级性PWM调制；其特征在于，该反激式单相逆变器的控制方法还包括以下步骤：

步骤A，检测解耦电容电压信号，中间直流母线电压信号，逆变桥臂的输入电流信号；

步骤B，将步骤A得到的解耦电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算解耦电容电压参考信号与解耦电容电压信号直流分量的差值；

步骤D，将步骤A得到的中间直流母线电压信号和逆变桥臂的输入电流信号输入基准生成电路，获得原边电流参考信号和副边电流参考信号；

步骤E，将步骤C得到的电压差值用PI控制器进行调节，然后加入步骤D得到的原边电流参考信号，获得原边电流实际参考信号；

步骤F，计算中间直流母线电压参考信号与中间直流母线电压信号的差值；

步骤G，将步骤F得到的电压差值用PI控制器进行调节，然后加入步骤D得到的副边电流参考信号，获得副边电流实际参考信号；

步骤H，将步骤E得到的原边电流实际参考信号和步骤G得到的副边电流实际参考信号输入调制波生成电路，获得第一、第二、第三调制波信号；

步骤I，将前述第一、第二调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二逻辑信号；

步骤J，将步骤H得到的第三调制波信号输入过零比较器，获得第三逻辑信号；

步骤K，将前述第一逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再经过逻辑非门，得到原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号一起接入逻辑与门，得到第一、第四解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻辑信号经过逻辑异或门，第三逻辑信号经过逻辑非门后，再一起接入逻辑与门，得到第二、第三解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号、第一解耦开关管的控制信号和第二解耦开关管的控制信号一起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控制信号；

步骤L，将步骤K得到的原边开关管的控制信号，第一、第四解耦开关管的控制信号，第二、第三解耦开关管的控制信号以及副边开关管的控制信号分别输入驱动电路，得到原边开关管的驱动信号、副边开关管的驱动信号以及四个解耦开关管的驱动信号，控制反激式单相逆变器。