專利名稱：一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器空載損耗的控制方法，屬逆變器電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
逆變器是一種將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源的裝置，在光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，汽車，船舶和電力等方面應(yīng)用廣泛。目前，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，不僅要研究如何提高逆變器的額定效率，如何提高逆變器的輕載效率，還要研究如何最大程度降低逆變器空載損耗，許多國(guó)外廠家的逆變器產(chǎn)品已經(jīng)將空載損耗作為一項(xiàng)重要指標(biāo)而列出。
逆變器有單級(jí)結(jié)構(gòu)的，也有兩級(jí)結(jié)構(gòu)的。兩級(jí)結(jié)構(gòu)的逆變器，通常由前級(jí)的直流_直流變換電路和后級(jí)的直流_交流逆變電路串接構(gòu)成。前級(jí)直流_直流變換電路將輸入直流電壓Uin變換成一個(gè)中間直流母線電壓Ubus，再由后級(jí)直流_交流逆變電路將該中間直流母線電壓Ubus轉(zhuǎn)換成輸出交流電壓U。，如附圖1所示。 現(xiàn)代電力電子電路的設(shè)計(jì)中，選擇功率半導(dǎo)體器件(功率二極管，Mosfet， IGBT等)和設(shè)計(jì)各無(wú)源儲(chǔ)能器件(變壓器，電感，電容)都要根據(jù)電路額定功率來(lái)決定。因此，整個(gè)電路的效率通常表現(xiàn)為從空載處效率為零開始，隨著負(fù)載增加效率也隨之增加，并在一定負(fù)載下達(dá)到最高效率，隨后隨著負(fù)載的繼續(xù)增加而效率開始下降，參見附圖2。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)應(yīng)該使電路在半載與滿載間獲得最高效率。兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器也是遵循這樣的規(guī)律。要降低兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的空載損耗，通常是從選擇電路結(jié)構(gòu)，選擇設(shè)計(jì)器件方面入手。例如，前級(jí)直流_直流變換電路采用正激式直流變換電路比采用全橋式直流變換電路的空載損耗要小，因?yàn)榍罢呤褂玫墓β使軘?shù)量更少；或者選擇磁損更小的材料來(lái)設(shè)計(jì)電感和變壓器，也可以降低空載損耗。 這些方法盡管能一定程度降低空載損耗，但因?yàn)樵诳蛰d狀態(tài)下，逆變器電路中各功率器件流過(guò)的電流很小，器件不能工作在額定設(shè)計(jì)狀態(tài)，這使得器件的工作效率依然很低，而空載損耗的降低依然有限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的降低空載損耗的方法，它在逆變器空載狀態(tài)下通過(guò)判斷中間直流母線電壓Ubus的狀態(tài)來(lái)控制前級(jí)直流_直流變換電路的工作或停止，使前級(jí)直流_直流變換電路處于更高的工作效率，最終達(dá)到降低整個(gè)逆變器空載損耗的目的。 本發(fā)明的技術(shù)方案是， 本發(fā)明一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法為 兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的前級(jí)直流_直流變換電路將輸入電壓Uin轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間直流母線電壓Ubus，后級(jí)直流_交流逆變電路再將該中間直流母線電壓Ubus轉(zhuǎn)換成預(yù)期的輸出電壓U。，由檢測(cè)電路檢測(cè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的電壓、電流信號(hào)。依據(jù)檢測(cè)信號(hào)結(jié)果控制前級(jí)直流_直流變換電路的工作或停止工作，使前級(jí)直流_直流變換電路處于更高的工作效率，達(dá)到降低整個(gè)逆變器空載損耗的目的。 本發(fā)明所述的兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的前級(jí)直流-直流變換電路可以是各種不隔離式
或隔離式直流-直流變換電路；該兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的后級(jí)變換器可以是各種不隔離式或隔離式直流-交流逆變電路。 本發(fā)明所述的檢測(cè)電路設(shè)有兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器實(shí)時(shí)輸出電流i。和實(shí)時(shí)中間直流母線電壓Ubus檢測(cè)電路。
圖3為本發(fā)明降低空載損耗控制方法的流程圖，所述控制方法按以下步驟執(zhí)行
步驟一 檢測(cè)判斷逆變器輸出電流有效值I。是否為零或者小于一個(gè)極小值I。 min，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟二 ；如果不是，則輸出開關(guān)信號(hào)on/off為l，即指令前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后結(jié)束本算法； 步驟二 檢測(cè)判斷中間直流母線電壓Ubus是否小于最小中間直流母線電壓Ubus min，如果是，轉(zhuǎn)入步驟三；如果不是，轉(zhuǎn)入步驟五； 步驟三輸出開關(guān)信號(hào)on/off為l，即指令前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn)入步驟四； 步驟四等待檢測(cè)判斷下一拍中間直流母線電壓Ubus是否大于等于額定中間直流母線電壓Ubu^。m，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟五；如果不是，返回步驟四開始處； 步驟五輸出開關(guān)信號(hào)on/off為0，即停止前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn)入步驟一。 本發(fā)明所述的額定中間直流母線電壓值Ubu^。m大于允許最小中間直流母線電壓佶II
l且^bus—min0 本發(fā)明工作原理如圖4所示。 圖4中的0 t。和^ t2區(qū)間為前級(jí)直流_直流變換電路工作區(qū)間，在此區(qū)間前級(jí)直流_直流變換電路既給中間母線電容Cbus充電，又提供能量給后級(jí)直流_交流逆變電路維持逆變器輸出電壓，中間直流母線電壓值從最小中間直流母線電壓值Ubus min上升至額定中間直流母線電壓值Ubus n。m ;t。 ^區(qū)間為前級(jí)直流_直流變換電路停止工作區(qū)間，在此區(qū)間中間母線電容Cbus對(duì)后級(jí)直流_交流逆變電路放電以維持逆變器輸出電壓U。，中間直流母線電壓值從額定中間直流母線電壓值Ubus M下降到最小中間直流母線電壓值Ubus min。在空載狀態(tài)下，前級(jí)直流_直流變換電路的負(fù)載包括中間母線電容和后級(jí)直流_交流逆變電路的空載損耗。不采用本發(fā)明方法的傳統(tǒng)電路，中間母線電容上的電壓維持恒定，即理想情況下中間母線電容上不消耗能量，前級(jí)直流-直流變換電路的負(fù)載就只包含了后級(jí)直流-交流逆變電路的空載損耗，其輸出功率可以用附圖4中的虛線功率P。來(lái)表示。而采用本
發(fā)明方法后，在0 t。和^ t2區(qū)間為前級(jí)直流-直流變換電路工作區(qū)間，前級(jí)直流-直
流變換電路既要給中間母線電容充電提供能量，又要提供后級(jí)直流-交流逆變電路的空載損耗，其輸出功率可以用附圖4中的實(shí)線功率P工來(lái)表示。顯然有P工> P。，根據(jù)附圖2中的效率規(guī)律曲線，有效率關(guān)系 > n。 (l) 即采用了本發(fā)明方法后，前級(jí)直流-直流變換電路工作時(shí)的效率獲得了提高。而因?yàn)榍凹?jí)直流_直流變換電路的輸出能量最終都是供給后級(jí)逆變電路，根據(jù)能量守恒的原理有 ^XPo二t。XPi (2) 因此，采用本發(fā)明方法后前級(jí)直流_直流變換電路在0 ^時(shí)間內(nèi)輸入的能量
E丄=P丄X t0/ n ! (3) 而采用傳統(tǒng)方式工作的前級(jí)直流_直流變換電路在0 、時(shí)間內(nèi)輸入的能量E。為 E。二P。Xt乂n。 (4)
由公式(1) (4)可以推導(dǎo)得到 E丄< E。 (5) 即采用本發(fā)明的方法減小了空載下的兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的輸入能量，即降低了空載損耗。 本發(fā)明與已有技術(shù)比較的有益效果是在兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器空載狀態(tài)下，通過(guò)控制前級(jí)直流_直流變換電路工作或停止，使得中間直流母線電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)但能滿足逆變器輸出電壓正常。斷續(xù)工作的前級(jí)直流-直流變換電路在工作狀態(tài)的輸出功率比傳統(tǒng)的連續(xù)工作的前級(jí)直流-直流變換電路的輸出功率要大，從而在工作狀態(tài)具有更高的工作效率。所以，采用本發(fā)明可以降低兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的空載損耗。本發(fā)明的控制方法簡(jiǎn)單易行，可以通過(guò)在現(xiàn)有的兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器中增加簡(jiǎn)單硬件或軟件實(shí)現(xiàn)降低空載損耗的目的。
本發(fā)明方法適用于兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器空載損耗的控制。
圖1為傳統(tǒng)兩級(jí)變流器電路結(jié)構(gòu)框 圖2為電力電子電路功率-效率曲線；
圖3為降低空載損耗控制方法的流程 圖4為降低空載損耗方法原理說(shuō)明 圖5為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例；
圖6為具體實(shí)施例實(shí)驗(yàn)波形。 圖中圖號(hào)表示(1)電池；(2)推挽式直流-直流變換電路；(3)全橋直流-交流逆變電路;(4)隔離驅(qū)動(dòng)電路A ; (5)隔離驅(qū)動(dòng)電路B ; (6) TMS320C2812處理器;(7)檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路；(8)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器；(9)降低空載損耗算法；(IO)前級(jí)直流變換電路控制算法；
(ll)P麗比較單元A ;(12)后級(jí)逆變電路控制算法；(13)P麗比較單元B ;
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例為一個(gè)采用了降低空載損耗方法的車載逆變器。電路如圖5所示，主要由以下幾部分組成12VDC鉛酸蓄電池組(1);推挽式直流-直流變換電路(2);全橋直
流-交流逆變電路(3);隔離驅(qū)動(dòng)電路A(4);隔離驅(qū)動(dòng)電路B(5) ;TMS320C2812處理器(6);檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路(7)。 12VDC鉛酸蓄電池組(1)電壓Uin允許變化范圍為10VDC 14. 7VDC。 推挽式直流-直流變換電路(2)中功率管Q工和Q2采用了 5個(gè)IRF3205并聯(lián)，變壓
器原副邊變比為2 : 72，二極管D工 D4采用了 RHRP8120。電感Ls為lmH。電路開關(guān)頻率
5為30kHz。中間母線電容Cbus為1000uF/500VDC，中間直流母線電壓Ubus的允許變化范圍為 340VDC 480VDC。 全橋直流-交流逆變電路(3)的功率管Q3 Q6采用IRG4PC50UD，濾波電感Lf為 2mH，濾波電容Cf為6. 8uF。開關(guān)頻率為18kHz 。額定輸出電壓U。為220VAC。
隔離驅(qū)動(dòng)電路A(4)的輸入是TMS320C2812處理器產(chǎn)生的P麗l和P麗2信號(hào)，輸出 分別驅(qū)動(dòng)推挽式直流變換器中功率管和Q2。 隔離驅(qū)動(dòng)電路B(5)的輸入是TMS320C2812處理器(6)產(chǎn)生的P麗3，P麗4，P麗5和 P麗6信號(hào)，輸出分別驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路的功率管Q3， Q4， Q5和Q6。 檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路(7)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入電壓Uin，輸入電流iin，中間直流母線電壓ubus， 輸出電壓u。，輸出電流i。和逆變電感電流iJ勺值并轉(zhuǎn)換輸出給TMS320C2812處理器(6)的 內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(8)。 TMS320C2812處理器(6)中主要包含降低空載損耗控制算法(9);前級(jí)直流變換 電路控制算法(10);后級(jí)逆變電路控制算法(12)。 TMS320C2812處理器(6)中的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(8)將輸入的各模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù) 字值。其中，中間直流母線電壓Ubid，輸出電流i。d輸出給降低空載損耗控制算法(9)，降 低空載損耗控制算法(9)計(jì)算輸出開關(guān)信號(hào)on/off控制P麗比較單元A(ll);數(shù)值輸入電 壓uin d，輸入電流iin d，中間直流母線電壓ubus d，輸入到前級(jí)直流變換電路控制算法(10)， 前級(jí)直流變換電路控制算法(10)計(jì)算得到的控制值再輸出到內(nèi)部的P麗比較單元A(ll)， 經(jīng)其產(chǎn)生并輸出前級(jí)直流_直流變換電路的P麗l和P麗2信號(hào)；數(shù)值輸出電壓u。 d，輸出電 流i。—d和逆變電感電流輸出給后級(jí)逆變電路控制算法(12)，該算法計(jì)算得到的控制值 再輸出到內(nèi)部的P麗比較單元B(13)，經(jīng)其產(chǎn)生并輸出后級(jí)直流_交流逆變電路的P麗3， P麗4， P麗5禾口 P麗6信號(hào)。
降低空載損耗控制算法(9)如下 步驟一 檢測(cè)判斷逆變器輸出電流有效值I。是否小于0. 1A，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟 二 ；如果不是，則輸出開關(guān)信號(hào)on/off為1，即指令前級(jí)直流_直流變換電路工作，然后結(jié) 束本算法； 步驟二 檢測(cè)判斷中間直流母線電壓Ubus是否小于最小中間直流母線電壓340V， 如果是，轉(zhuǎn)入步驟三；如果不是，轉(zhuǎn)入步驟五； 步驟三輸出開關(guān)信號(hào)on/off為l，即指令前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn) 入步驟四； 步驟四等待檢測(cè)判斷下一拍中間直流母線電壓Ubus是否大于等于額定中間直流
母線電壓370V，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟五；如果不是，返回步驟四開始處； 步驟五輸出開關(guān)信號(hào)on/off為0，即停止前級(jí)直流_直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn)
入步驟一。 圖6顯示了在空載狀態(tài)下中間直流母線電壓，逆變器輸出電壓和反映降低空載損 耗控制算法輸出的on/off信號(hào)的實(shí)驗(yàn)波形?？梢姡?dāng)中間直流母線電壓低于340V時(shí)，降低 空載損耗控制算法輸出的on/off信號(hào)為l，前級(jí)直流變換器開始工作直到中間直流母線電 壓達(dá)到370V，然后降低空載損耗控制算法輸出的on/off信號(hào)為0關(guān)閉了前級(jí)直流變換器， 但因?yàn)殡娐房蛰d，直流母線電壓變化緩慢。
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實(shí)際測(cè)量采用了降低空載損耗方法的該逆變器的空載損耗為10. 7W，而沒有采用 降低空載損耗方法的該逆變器的空載損耗為16. 1W，采用了本發(fā)明提出的方法后空載損耗 降低了 5. 4W。 本實(shí)例揭示的降低空載損耗控制方法使得兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的空載損耗可以減小， 節(jié)約了輸入能耗。
權(quán)利要求
一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法，其特征在于，所述兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的前級(jí)直流-直流變換電路將輸入電壓Uin轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間直流母線電壓Ubus，后級(jí)直流-交流逆變電路再將該中間直流母線電壓Ubus轉(zhuǎn)換成預(yù)期的輸出電壓Uo，由檢測(cè)電路檢測(cè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的電壓、電流信號(hào)，依據(jù)檢測(cè)信號(hào)結(jié)果控制前級(jí)直流-直流變換電路的工作或停止工作，使前級(jí)直流-直流變換電路處于更高的工作效率，達(dá)到降低整個(gè)逆變器空載損耗的目的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法，其特征在于，依據(jù)所述檢測(cè)電路檢測(cè)結(jié)果控制前級(jí)直流-直流變換電路的步驟為步驟一 檢測(cè)判斷逆變器輸出電流有效值I。是否為零或者小于一個(gè)極小值I。—min，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟二 ；如果不是，則輸出開關(guān)信號(hào)on/off為l，即指令前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后結(jié)束本算法；步驟二 檢測(cè)判斷中間直流母線電壓Ubus是否小于最小中間直流母線電壓Ubus min，如果是，轉(zhuǎn)入步驟三；如果不是，轉(zhuǎn)入步驟五；步驟三輸出開關(guān)信號(hào)on/off為l，即指令前級(jí)直流-直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn)入步驟四；步驟四等待檢測(cè)判斷下一拍中間直流母線電壓Ubus是否大于等于額定中間直流母線電壓U^—n。m，如果是，則轉(zhuǎn)入步驟五；如果不是，返回步驟四開始處；步驟五輸出開關(guān)信號(hào)on/off為0，即停止前級(jí)直流_直流變換電路工作，然后轉(zhuǎn)入步驟一。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法，其特征在于，所述的兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的前級(jí)直流_直流變換電路可以是各種不隔離式或隔離式直流_直流變換電路；該兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的后級(jí)變換器可以是各種不隔離式或隔離式直流_交流逆變電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法，其特征在于，所述的檢測(cè)電路設(shè)有兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器實(shí)時(shí)輸出電流i。和實(shí)時(shí)中間直流母線電壓ubus檢測(cè)電路。
全文摘要
一種兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器降低空載損耗的方法，其特征在于，所述兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器的前級(jí)直流-直流變換電路將輸入電壓Uin轉(zhuǎn)換成中間直流母線電壓Ubus，后級(jí)直流-交流逆變電路再將該中間直流母線電壓Ubus轉(zhuǎn)換成預(yù)期的輸出電壓Uo，由檢測(cè)電路檢測(cè)電壓Ubus和逆變電路輸出電流Io信號(hào)，結(jié)合設(shè)定的最小母線電壓Ubus_min和額定母線電壓Ubus_nom進(jìn)行判斷，來(lái)控制前級(jí)直流-直流變換電路的工作或停止工作，使母線電壓Ubus工作在Ubus_min和Ubus_nom之間，并使前級(jí)直流-直流變換電路獲得更高的工作效率，最終達(dá)到降低整個(gè)逆變器空載損耗的目的。本發(fā)明方法適用于降低兩級(jí)結(jié)構(gòu)逆變器空載損耗的控制。
文檔編號(hào)H02M7/537GK101728957SQ20091018654
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者袁義生 申請(qǐng)人:華東交通大學(xué)