CN101355319B - 一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法，属逆变器。本逆变器在现有逆变器的基础上，加入欠压保护电路和基准电压选通电路，逆变器输出电压经过欠压保护电路得到高低电平信号，高低电平信号经过基准电压选通电路得到控制信号，DC-DC模块中电压环采集控制信号和采样的逆变器输入电压输出PWM控制信号，PWM控制信号经过PWM驱动器得到功率变换器驱动信号，功率变换器采集驱动信号和接收直流电源输出的直流电压，功率变换器根据驱动信号调节输出电压即逆变器的输入电压。本发明开关损耗低，输出短路时运行安全可靠。

Description

一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高电能转换装置中的逆变器可靠运行的方法，尤其涉及一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法。

背景技术

随着全球温室效应的加剧、化石能源的枯竭以及电力电子技术的快速发展，风能、太阳能等新能源得到越来越广泛的应用，利用电力电子技术的静止式逆变电源应用得到大幅度的提高，两级式结构是静止式逆变电源常用的主电路结构，其中前级为直/直变换，将有一定变化范围的输入电压高频隔离变换到一个合理的稳定的电压值，后级直/交逆变实现稳压稳频的正弦波输出。电流控制型逆变器具有控制稳定性好、跟踪速度快、电源品质好、具有自然输出限流功能、可靠性高的特点得到广泛应用。作为供电系统中的一个电源，常常要求电源输出短路时能输出几倍额定电流的能力，如在航空电源应用场合，要求逆变电源具有三倍短路电流维持5秒种。由于电流控制型逆变器在输出短路时，电流大(要求三倍额定电流)且持续时间长(整个输出周期都处于最大电流工作)，对固定开关频率的SPWM电流控制型逆变器来说短路时电流脉动量加大导致工作的峰值电流进一步增大，对电流滞环控制型逆变器来说同时此时开关频率也达到最高，因此功率管开关损耗很大，常因过热而损坏，为了保证可靠短路运行，不得不提高器件的功率等级，使得电路的成本提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法。

一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法，将逆变器输出电压经过欠压保护电路得到高电平信号或低电平信号，具体方法是将交流电压经过半波整流二极管后由第一电阻和第二电阻分压得到采样电压，将第一直流电源经过第三电阻和第四电阻分压得到欠压保护电路的第一基准电压，将第一直流电源经过第六电阻和第七电阻分压得到欠压保护电路的第二基准电压，将采样电压加于第一运算放大器的反相端，将第一基准电压加于第一运算放大器的同相端，将第二基准电压加于第二运算放大器的同相端，当采样电压小于第一基准电压时第一运算放大器输出低电平信号并加于第二运算放大器的反相端得到第二运算放大器输出的低电平信号，采用第二运算放大器输出的低电平信号导通开关二极管，将与开关二极管正极相连的第二直流电源经过第八电阻给RS触发电路低电平触发信号，其中开关二极管的负极连接至第二运算放大器的输出端，采用RS触发电路接收低电平触发信号后输出低电平信号即欠压保护电路输出低电平信号，当采样电压大于第一基准电压时第一运算放大器输出高电平信号并加于第二运算放大器的反相端得到第二运算放大器输出的高电平信号，采用第二运算放大器输出的高电平信号关断开关二极管，将第二直流电源经过第八电阻给RS触发电路高电平触发信号，采用RS触发电路接收高电平触发信号后输出高电平信号即欠压保护电路输出高电平信号；将欠压保护电路的高电平信号或低电平信号经过基准电压选通电路得到具有功率变换器的DC-DC模块的控制信号即第一基准信号或第二基准信号，第一基准信号小于第二基准信号，当基准电压选通电路接收到欠压保护电路输出的低电平信号时输出第一基准信号，当基准电压选通电路接收到欠压保护电路输出的高电平信号时输出第二基准信号；当基准电压选通电路输出第一基准信号，采用采样电路采集功率变换器的输出电压即逆变器的输入电压，将采样的逆变器的输入电压和第一基准信号经过电压环得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器得到功率变换器低电平驱动信号，采用功率变换器接收功率变换器低电平驱动信号和直流电源的输出电压并根据功率变换器低电平驱动信号降低功率变换器的输出电压即逆变器的输入电压；当基准电压选通电路输出第二基准信号，采用采样电路采集功率变换器的输出电压即逆变器的输入电压，将采样的逆变器输入电压和第二基准信号经过电压环得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器得到功率变换器高电平驱动信号，采用功率变换器接收功率变换器高电平驱动信号和直流电源的输出电压并根据功率变换器高电平驱动信号提高功率变换器的输出电压即逆变器的输入电压。

本发明提出当检测到逆变器输出电压大小，通过降低逆变电源直/交级的输入电压(即直/直级输出电压)值来降低逆变电源输出短路运行时开关管的工作电压和开关管的开关频率，从而降低开关损耗，保证输出短路时的安全可靠运行。

附图说明

图1：本发明整体结构图；

图2：现有逆变器短路条件下输入电压和输出电流波形；

图3：本发明逆变器输入电压为360V时的短路运行仿真图；

图4：本发明逆变器输入电压为180V时的短路运行仿真图。

图中主要符号名称：U_d---逆变器输入电压，Vo---交流电压，Io---逆变器输出电流，Ugs---功率变换器驱动信号。

具体实施方式

如图1所示，一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法，其具体方法是将逆变器5的输出电压Vo经过半波整流二极管D₁后由第一电阻R₁和第二电阻R₂分压得到采样电压Vi，将第一直流电源Vcc1经过第三电阻R₃和第四电阻R₄分压得到欠压保护电路1的第一基准电压Vp1，将第一直流电源Vcc1经过第六电阻R₆和第七电阻R₇分压得到欠压保护电路1的第二基准电压Vp2，将采样电压Vi加于第一运算放大器U₁的反相端，将第一基准电压Vp1加于第一运算放大器U₁的同相端，将第二基准电压Vp2加于第二运算放大器U₂的同相端，当采样电压Vi小于第一基准电压Vp1时第一运算放大器U₁输出低电平信号并加于第二运算放大器U₂的反相端得到第二运算放大器U₂输出的低电平信号，采用第二运算放大器U₂输出的低电平信号导通开关二极管D₂，将第二直流电源Vcc2经过第八电阻R₈给RS触发电路11低电平触发信号，采用RS触发电路11接收低电平触发信号后输出低电平信号即欠压保护电路1输出低电平信号，当采样电压Vi大于第一基准电压Vp1时第一运算放大器U₁输出高电平信号并加于第二运算放大器U₂的反相端得到第二运算放大器U₂输出的高电平信号，采用第二运算放大器U₂输出的高电平信号关断开关二极管D₂，将第二直流电源Vcc2经过第八电阻R₈给RS触发电路11高电平触发信号，采用RS触发电路11接收高电平触发信号后输出高电平信号即欠压保护电路1输出高电平信号；将欠压保护电路1的高电平信号或低电平信号经过基准电压选通电路2得到DC-DC模块3的控制信号Uref即第一基准信号Uref1或第二基准信号Uref2，第一基准信号Uref1小于第二基准信号Uref2，当基准电压选通电路2接收到欠压保护电路1输出的低电平信号时输出第一基准信号Uref1，当基准电压选通电路2接收到欠压保护电路1输出的高电平信号时输出第二基准信号Uref2；当基准电压选通电路2输出第一基准信号Uref1，采用采样电路32采集功率变换器31的输出电压即逆变器5的输入电压U_d，将采样的逆变器5的输入电压U_d和第一基准信号Uref1经过电压环33得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器34得到功率变换器低电平驱动信号，采用功率变换器31采集功率变换器低电平驱动信号和接收直流电源4的输出电压Uin并根据功率变换器低电平驱动信号降低功率变换器31的输出电压即逆变器5的输入电压U_d；当基准电压选通电路2输出第二基准信号Uref2，采用采样电路32采集功率变换器31的输出电压即逆变器5的输入电压U_d，将采样的逆变器输入电压U_d和第二基准信号Uref2经过电压环33得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器34得到功率变换器高电平驱动信号，采用功率变换器31采集功率变换器高电平驱动信号和接收直流电源的输出电压Uin并根据功率变换器高电平驱动信号提高功率变换器31的输出电压即逆变器5的输入电压U_d。

在现有逆变器的基础上，加入输出电压欠压检测环节和基准电压选通环节可以实现保护的功能，选通的基准电流经过DC-DC变换器，可以经过控制环节，降低DC-DC变换器的输出电压。控制信号Uref和输出的直流电压采样信号即逆变器输入电压U_d进行比较，经过电压环33调节后，产生PWM的控制信号，控制信号经驱动后，可直接控制功率变换器31中功率管的开通和关断来调节输出电压，当控制信号Uref发生变化时，通过闭环调节，会使得逆变器输入电压U_d相应的发生改变。当控制信号Uref变小时，输出电压的采样电压即逆变器输入电压U_d大于控制信号Uref的电压，通过电压环的条件，产生的功率变换器低电平驱动信号关断功率管，从而使得输出电压降低，同样基准电压变高时，输出电压会升高。

在欠压保护电路1中，Vo为交流电压，经过半波整流并由R₁和R₂分压后形成一个采样电压Vi。R₃和R₄把第一电源Vcc1的电压分压后形成欠压保护的第一基准电压Vp1加于第一运算放大器U₁的同相端。在交流电压Vo处于允许的正常情况下，第一运算放大器U₁的反相端上的采样电压Vi大于第一基准电压Vp1，第一运算放大器U₁输出低电平加于第二运算放大器U₂的反相输入端，第二运算放大器U₂的反相输入端电压小于同相端的第二基准电压Vp2，所以第二运算放大器U₂输出高电平。当短路或者其他原因导致电压降低，电压Vo一旦低于欠压设定值时，采样电压Vi低于第一运算放大器U₁同相端的第一基准电压Vp1，第一运算放大器U₁将输出高电平，所以第一电源Vcc1通过第五电阻R₅对第一电容C₁充电，第一电容C₁上电压达到第二运算放大器U₂的同相第二基准电压Vp2时，第二运算放大器U₂输出低电平，使开关二极管D₂导通。充电时间即欠压关断时间由第五电阻R₅和第一电容C₁的时间常数决定。第一与非门U₃、第二与非门U₄构成RS触发器，一旦开关二极管D₂导通时，欠压保护电路1输出信号为低电平，用此低电平去控制前级基准电压的输入，使前级产生低的输入基准，降低后级的输入电压。第九电阻R₉和第三电容C₃作为RC充电电路，设置其时间常数，保证在启动过程中不会欠压保护。

由欠压保护电路1输出的高低电平信号来选通控制信号Uref，在正常情况下，欠压保护电路1输出信号为高电平信号，输出的控制信号Uref为第二基基准信号Uref2，当输出欠压时，欠压保护电路1输出低电平信号，输出的控制信号Uref为第一基基准信号Uref1，所以，只要设定基准信号Uref1和Uref2相应的值，即可实现电路的功能，其中基准信号Uref1小于Uref2。要使得输出电压为以前的一半，则需使第一基准信号Uref1降为第二基准信号Uref2的一半。

如图2所示为现有逆变器短路条件下输入电压和输出电流波形。原双BUCK逆变器电流滞环控制正常工作时，根据逆变器的工作模态可得到它的开关频率 $f_k=\frac{U_d^2-{\mathrm{Vo}}^2}{2\mathrm{Lh}{U}_d},$ Vo为交流电压，正弦变化；h为逆变器滞环宽度；在输出短路的时候，交流电压很小接近于零，此时开关频率为 $f_k=\frac{U_d}{2\mathrm{Lh}},$ 由于输入电压U_d比较大，滞环宽度h较小，开关管的开关频率比正常时大大提高，加上短路时工作电流又大，开关管损耗很大严重影响运行安全性。

如图3、图4所示，为本发明逆变器输入电压为360V和180V时的短路运行仿真结果。从仿真结果可以看出当输出短路时，降低输入直流电压，可以减小开关频率，而输出的短路电流不变。由图3中可以看出360V时短路的开关周期为0.836uS。由图4中可以看出180V时的短路开关周期为1.68uS，近似为360V条件下的两倍，满足电压比例条件，说明此方案可以有效的减小开关频率。

Claims (1)

1.一种提高电流控制型逆变器输出短路运行可靠性的方法，其特征在于：将逆变器输出的交流电压(Vo)经过半波整流二极管(D₁)后由第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)分压得到采样电压(Vi)，将第一直流电源(Vcc1)经过第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)分压得到欠压保护电路(1)的第一基准电压(Vp1)，将第一直流电源(Vcc1)经过第六电阻(R₆)和第七电阻(R₇)分压得到欠压保护电路(1)的第二基准电压(Vp2)，将采样电压(Vi)加于第一运算放大器(U₁)的反相端，将第一基准电压(Vp1)加于第一运算放大器(U₁)的同相端，将第二基准电压(Vp2)加于第二运算放大器(U₂)的同相端，当采样电压(Vi)小于第一基准电压(Vp1)时第一运算放大器(U₁)输出低电平信号并加于第二运算放大器(U₂)的反相端得到第二运算放大器(U₂)输出的低电平信号，采用第二运算放大器(U₂)输出的低电平信号导通开关二极管(D₂)，将与开关二极管(D2)正极相连的第二直流电源(Vcc2)经过第八电阻(R8)给RS触发电路(11)低电平触发信号，其中开关二极管(D2)的负极连接至第二运算放大器(U2)的输出端，采用RS触发电路(11)接收低电平触发信号后输出低电平信号即欠压保护电路(1)输出低电平信号，当采样电压(Vi)大于第一基准电压(Vp1)时第一运算放大器(U₁)输出高电平信号并加于第二运算放大器(U₂)的反相端得到第二运算放大器(U₂)输出的高电平信号，采用第二运算放大器(U₂)输出的高电平信号关断开关二极管(D₂)，将第二直流电源(Vcc2)经过第八电阻(R₈)给RS触发电路(11)高电平触发信号，采用RS触发电路(11)接收高电平触发信号后输出高电平信号即欠压保护电路(1)输出高电平信号；将欠压保护电路(1)的高电平信号或低电平信号经过基准电压选通电路(2)得到具有功率变换器(31)的DC-DC模块(3)的控制信号(Uref)即第一基准信号(Uref1)或第二基准信号(Uref2)，第一基准信号(Uref1)小于第二基准信号(Uref2)，当基准电压选通电路(2)接收到欠压保护电路(1)输出的低电平信号时输出第一基准信号(Uref1)，当基准电压选通电路(2)接收到欠压保护电路(1)输出的高电平信号时输出第二基准信号(Uref2)；当基准电压选通电路(2)输出第一基准信号(Uref1)，采用采样电路(32)采集功率变换器(31)的输出电压即逆变器(5)的输入电压(U_d)，将采样的逆变器(5)的输入电压(U_d)和第一基准信号(Uref1)经过电压环(33)得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器(34)得到功率变换器低电平驱动信号，采用功率变换器(31)接收功率变换器低电平驱动信号和直流电源(4)的输出电压(Uin)并根据功率变换器低电平驱动信号降低功率变换器(31)的输出电压即逆变器(5)的输入电压(U_d)；当基准电压选通电路(2)输出第二基准信号(Uref2)，采用采样电路(32)采集功率变换器(31)的输出电压即逆变器(5)的输入电压(U_d)，将采样的逆变器输入电压(U_d)和第二基准信号(Uref2)经过电压环(33)得到PWM控制信号，将PWM控制信号经过PWM驱动器(34)得到功率变换器高电平驱动信号，采用功率变换器(31)接收功率变换器高电平驱动信号和直流电源的输出电压(Uin)并根据功率变换器高电平驱动信号提高功率变换器(31)的输出电压即逆变器(5)的输入电压(U_d)。

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