一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其控制方法

摘要

本发明公开了一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其控制方法。该逆变器包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂和第二逆变桥臂、滤波电路、辅助开关管及辅助电容；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，再通过调制波生成模块、PWM控制电路、过零比较器、逻辑电路以及驱动电路，从而控制电流跟踪其参考值。该逆变器在隔离变压器辅助绕组侧加入了辅助开关管和辅助电容，使得交流输出侧引入的功率纹波都流向辅助电路，从而达到消除直流输入侧电流纹波的目的。原边开关管为零电流开通，副边开关管为零电流关断，减小了开关损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其控制方法。

背景技术

随着能源消耗量的日益增加，储量有限的化石燃料日益减少并终将枯竭，发展清洁、 高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。在新能源及其它分布式发 电系统中，为获得负载所需的高压交流电，带有前级直流变换器的逆变器已得到了广泛 的应用。例如附图1所示，为一种典型的反激两级式逆变器。对于这种系统，交流输出功 率中含有的两倍频功率脉动反馈到直流输入侧表现为低频电流纹波，会影响蓄电池、燃 料电池等输入源的使用寿命，严重时会干扰直流电源系统的稳定性，因此解决新能源发 电系统中的电流纹波问题，提高新能源的利用效率已刻不容缓。近年来，为了解决这个 问题，出现了一些关于抑制电流纹波的逆变电路拓扑和控制策略。在电路中并联大电解 电容或者LC谐振电路，通过将谐振电路频率设计为两倍输出频率，可以实现消除电流纹 波的目的，但电解电容的使用寿命有限，且要滤除低频电流纹波所需的电感和电容体积 都比较大，降低了系统的可靠性和功率密度。也可在电路中接入有源滤波器，但额外增 加的电路必然需要额外的控制系统，使整个系统都变的较为复杂，不利于一体化。而把 辅助电路嵌入到原有的变换器中，只需适当改进原有的控制方法就可以实现直流输入侧 电流纹波的消除。

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消除输入电流纹波的 两级式逆变器及其控制方法，该逆变器不仅能够实现直流变交流的逆变，而且同时消除 了直流输入侧的电流纹波，减小了输入电流纹波对输入源的干扰，提高了系统效率。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种消除输入电流纹波的两级式逆变器包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔 离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂 以及滤波电路，其中直流电源的正极分别接输入电容的一端和隔离变压器的原边绕组同 名端，直流电源的负极分别接输入电容的另一端和原边开关管的发射极，原边开关管的 集电极接隔离变压器的原边绕组异名端，副边开关管的集电极接隔离变压器的副边绕组 异名端，两个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极、副边开关管的发射极 和中间直流母线电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第二开关管的发射极、隔离 变压器的副边绕组同名端和中间直流母线电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端， 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，第一逆变桥臂 的输出端接到滤波电路的正端，第二逆变桥臂的输出端接到滤波电路的负端；还包括由 隔离变压器的两个辅助绕组、辅助开关管和辅助电容构成的辅助电路，其中辅助开关管 包括两个开关管，隔离变压器的辅助绕组由相同匝数的辅助绕组N_x1、N_x2组成，第一辅 助开关管的集电极接第一辅助绕组N_x1的异名端，第一辅助开关管的发射极分别与第二辅 助开关管的集电极和辅助电容的一端相连，第二辅助开关管的发射极接第二辅助绕组N_x2的同名端，辅助电容的另一端分别接第一辅助绕组N_x1的同名端和第二辅助绕组N_x2的异 名端。

一种消除输入电流纹波的两级式逆变器的控制方法，其中，逆变桥臂的控制方法为 传统单级性PWM调制；还包括以下步骤：

步骤A，检测辅助电容电压信号，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得到的辅助电容电压信号输入辅助电容电压控制电路，获得辅助 电容电压扰动信号；

步骤C，将步骤A得到的中间直流母线电压信号输入中间直流母线电压控制电路， 获得中间直流母线电压扰动信号；

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B得到辅助电容电压扰动信号加入步骤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，将步骤C得到的中间直流母线电压扰动信号加入步骤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G，将步骤E得到的原边电流实际参考信号和步骤F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H，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I，将步骤G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J，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，得到第一辅助开关管的 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 二辅助开关管的控制信号；

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、 第一辅助开关管的控制信号和第二辅助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K，将步骤J得到的原边开关管的控制信号，第一辅助开关管的控制信号，第 二辅助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两个辅助开关管的驱动信号，控制该两级式 逆变器。

本发明与原有技术相比的主要技术特点是，由于副边增加了辅助绕组，通过控制辅 助开关管(9)的开通关断把纹波转移到辅助电容(10)上，从而实现对输入电流纹波的消除， 而且传统两级式逆变器的功能也被保持。

附图说明

附图1是传统两级式逆变器电路结构示意图。

附图2是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主电路及其控制方法的结 构示意图。

附图3是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器中隔离变压器等效后的电 路结构示意图。

附图4是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主要工作波形示意图。

附图5～附图9是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器的各开关模态示意 图。

附图10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 电流及中间直流母线电压的仿真波形。

附图11是本发明应用于输出电压220V/50Hz场合下中间直流母线电压、逆变桥臂的 输入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、电源电压。C_i、输入电容。S_p、S_s、S₁～S₄、S_x1、S_x2、 功率开关管。C_dc、中间直流母线电容。T_r、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。L_m、激磁电感。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_L、负载。N_x1、 N_x2隔离变压器辅助绕组。C_x、辅助电容。v_x、辅助电容两端电压。v_dc、中间直流母线电 压。v_o、逆变器输出电压。

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2所示的是一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主电路及其控制方法的结构 示意图。由直流电源V_i、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边开关管4、中 间直流母线电容5、两个逆变桥臂6和7、滤波电路8、辅助开关管9及辅助电容10组 成。S_p、S_s、S₁～S₄、S_x1、S_x2是八只功率开关管，C_i是输入电容，T_r是隔离变压器，C_x是 辅助电容，C_dc是中间直流母线电容，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_L为负载。 v_o、逆变器输出电压。

检测辅助电容电压信号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； 将辅助电容电压信号v_x输入辅助电容电压控制电路，获得辅助电容电压扰动信号；将中 间直流母线电压信号v_dc输入中间直流母线电压控制电路，获得中间直流母线电压扰动信 号；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_1-r和副边电流参考信号i_2-r；将辅助电容电压扰动信号加入原边电 流参考信号I_1-r，获得原边电流实际参考信号I_1-ref，将中间直流母线电压扰动信号加入副 边电流参考信号i_2-r，获得副边电流实际参考信号i_2-ref，将原边电流实际参考信号I_1-ref和 副边电流实际参考信号i_2-ref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 一辅助开关管的控制信号Q_x1；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，得到第二辅助开关管的控制信 号Q_x2；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、第一辅助开关管的控制信号Q_x1和第二辅助开关管的控制 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，第一辅助开关管的控制信号Q_x1，第二辅助开关管的控制信号Q_x2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_s以及两个辅助开关管的驱动信号S_x1/S_x2，控制该两级式逆变器。

为了分析方便，下面以附图2等效后的主电路结构附图3为例，结合附图4～附图9 叙述本发明的具体工作原理。由附图4可知整个逆变器一个开关周期有8种开关模态， 分别是[t_I0-t_I1]、[t_I1-t_I2]、[t_I2-t_I3]、[t_I3-t_I4]、[t_II0-t_II1]、[t_II1-t_II2]、[t_II2-t_II3]、[t_II3-t_II4]，其中， [t_I0-t_I4]为模式I下的一个开关周期，[t_II0-t_II4]为模式II下的一个开关周期。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所有开关管均为理想器件；②忽略隔离变压器等效 之后的漏感。

下面对模式I下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[t_I0-t_I1][对应于附图5]

S_p导通，S_s、S_x1和S_x2截止，输入电压V_i直接加在隔离变压器原边绕组上，原边电流 i₁线性上升至原边电流实际参考值I_1-ref。i₁(t)可表示为

$i_1\left(t\right)=\frac{V_i}{L_m}\left(t-t_{I0}\right)---\left(1\right)$

其中，t_I1时刻，i₁(t_I1)＝I_1-ref。

第一调制波信号M₁可表示为：

$M_1=\frac{I_{1-ref}{L}_m}{V_i{T}_s}---\left(2\right)$

其中，T_s为开关周期。

2.开关模态2[t_I1-t_I2][对应于附图6]

t_I1时刻，S_p关断，S_x1导通，隔离变压器给辅助电容C_x充电，辅助电容两端电压v_x反向加在隔离变压器的第一辅助绕组上，由于此过程时间极短，v_x可视为恒压源，因而 流过辅助电容的电流i_x1呈线性下降。i_x1(t)可表示为

$i_{x1}\left(t\right)=\frac{I_{1-ref}}{n}-\frac{v_x}{n^2{L}_m}(t-t_{I1})---\left(3\right)$

其中，n为隔离变压器匝比，n＝N₂∶N₁＝N_x1∶N₁＝N_x2∶N₁；t_I2时刻，i_x1(t_I2)＝i_2-ref(t_I2)。

第二调制波信号M₂可表示为：

$M_2=\frac{I_{1-ref}{L}_m}{V_i{T}_s}+\frac{{\mathrm{nL}}_m\left|I_{1-ref}-{\mathrm{ni}}_{2-ref}\right|}{v_x{T}_s}---\left(4\right)$

第三调制波信号M₃可表示为：

M₃＝I_1-ref-ni_2-ref(5) 3.开关模态3[t_I2-t_I3][对应于附图8]

t_I2时刻，S_x1关断，S_s导通，中间直流母线电压v_dc反向加在隔离变压器副边绕组上， 流过副边绕组的电流i₂从副边电流实际参考值i_2-ref下降到零。把中间直流母线电容C_dc视为恒定电压源，则副边电流i₂呈线性变化。此过程中，i₂(t)的关系表达式如下：

$i_2\left(t\right)=i_{2-ref}\left(t\right)-\frac{v_{dc}}{n^2{L}_m}(t-t_{12})---\left(6\right)$

其中，t_I2时刻，i₂(t_I2)＝i_x1(t_I2)；t_I3时刻，i₂(t_I3)＝0。

4.开关模态4[t_I3-t_I4][对应于附图9]

副边电流i₂下降到零后，副边开关管S_s并不立即关断，而是等到下一个开关周期开 始的时候才关断。在此过程中，隔离变压器的原边、副边以及辅助绕组都没有电流，变 压器复位。负载所需的能量将由中间直接母线电容C_dc提供。

下面对模式II下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[t_II0-t_II1][对应于附图5]

此过程与模式I下的开关模态1相同，直流电源向变压器传递能量。由于原边电流 i₁的峰值为恒值I_1-ref，且高频分量将流过输入电容，所以输入电流I_i也为一直流量。

2.开关模态2[t_II1-t_II2][对应于附图7]

不同于模式I下的开关模态2，此过程中，S_x2开通而不是S_x1，辅助电容C_x给隔离变 压器充电，辅助电容两端电压v_x正向加在隔离变压器的第二辅助绕组上，因而流过辅助 电容的电流i_x2线性上升。i_x2(t)可表示为

$i_{x2}\left(t\right)=\frac{I_{1-ref}}{n}+\frac{v_x}{n^2{L}_m}(t-t_{II1})---\left(7\right)$

3.开关模态3[t_II2-t_II3][对应于附图8]

此过程与模式I下的开关模态3类似，储存在隔离变压器中的能量向后级传递。

4.开关模态4[t_II3-t_II4][对应于附图9]

此过程与模式I下的开关模态4一致，中间直流母线电容维持负载所需的能量。

图10和图11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，输入电流为直流量，辅助电容电压包含两倍频脉动电压分量，说明该两级式逆 变器能够将脉动功率转移至辅助电路中，从而很好的消除低频输入电流纹波。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其 控制方法具有以下几方面的优点：

1)由于增加辅助电路，把逆变输出侧引入的低频电流纹波转移到辅助电容上，因此 逆变器输入端仅仅依靠很小的电容滤除开关纹波分量就可以实现输入电流纹波 消除的目的，并且电路控制简单。

2)逆变器中的电容均可采用小容值的薄膜电容，且系统的开关频率高，隔离变压器 相对小，因此系统体积小，使用寿命长。

3)由于原边开关管为零电流开通，副边开关管为零电流关断，因此开关损耗小，提 高了系统效率。