CN107425744B - 逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，属于数字控制逆变器控制方法技术领域。该方法包括如下步骤：逆变器正常运行时，通过改进单极性正弦脉宽调制的控制方法，根据电感电流纹波大小设定边界条件，在电感电流过零时刻让四个开关管同时工作，使电感电流连续；逆变器输出侧对地短路运行时，通过令开关管在半周期内常通构造电感电流续流回路，减小电感电流的下降速度，在实现电感电流限流的同时，大大减小短路运行时的功率器件的开关次数。本发明提出的控制方式，消除了逆变器正常运行时的输出电压波形的过零畸变，减小了逆变器对地短路运行时的系统损耗。

Description

逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，属于数字控制逆变器控制方法技术领域。
背景技术
航空静止变流器是将飞机直流发电机或蓄电池的直流电转换为400Hz交流电的电能变换设备。航空静止变流器多要求实现电气隔离，一般采用两级式结构，前级DC/DC变换器实现电压匹配与电气隔离，后级DC/AC逆变器实现波形变换。逆变器作为系统的重要组成部分，直接决定输出电能质量，高可靠性、高功率密度和高效率是衡量逆变器性能的重要指标。
随着控制技术的发展和对操作性能要求的提高，对逆变器输出的波形质量要求也越来越高。逆变器常用的调制方式有双极性正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse WidthModulation，SPWM)与单极性SPWM。双极性具有波形质量好等优点，但是直流电压利用率低、器件开关损耗高；单极性具有开关损耗小，电磁干扰较小等优点，但是会存在输出电压过零畸变的问题。
逆变器运行过程中，负载侧的短路故障可能会导致逆变电源进入短路运行模式。当发生短路故障时，为了保证系统能够提供足够的输出电流和运行时间切除该负载，避免单个故障负载的影响范围扩大，GJB 3279A-2011飞机静止变流器通用规范相关标准要求：在输出端单相短路状态下，逆变器能够输出三倍的额定负载电流，并至少持续5s不损坏。传统的电压外环电流内环控制方式，在短路时具有自动限流能力，且变换器仍然工作在高频开关状态下，系统损耗较大。
发明内容
本发明提出了一种逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，通过改进单极性SPWM控制方式，在电感电流过零附近拓宽四个开关管的工作时间，消除输出电压波形的过零畸变。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，包括如下步骤：
当逆变器正常运行时，
步骤1)根据已知的主电路参数，包括电感工作频率fL、滤波电感Lf、输入电压Vin、等效占空比D，得电感电流纹波最大值为
步骤2)根据步骤1)中得到的电感电流纹波最大值设置边界条件，将逆变器的一个输出周期分为三个工作区间：
区间一：当采样的电感电流值大于时，关断S2、S3开关管，S1、S4采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间二：当采样的电感电流值为时，让S1、S2、S3、S4四个开关管同时采用单极性调制方式工作，各个开关管的驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间三：当采样的电感电流值小于时，关断S1、S4开关管，S2、S3采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
当逆变器输出侧对地短路运行时，
步骤a)根据已知的主电路参数，包括输入电压Vin、开关管导通电阻Rdson、电感寄生阻抗、短路线电阻Rshort以及二极管导通压降，计算得出短路运行时，电感电流的上升、下降斜率：其中上升斜率为下降斜率为式中Vshort1、Vshort2为电流通路阻抗导致的压降，与主电路参数有关，且k1>>k2；
步骤b)根据限流要求，确定出短路运行时正半周期电感电流滞环宽度为I-～I+,当电压基准为正时，令S1一直开通，当电感电流小于I-时，令S4开通时间，电感电流迅速上升，其中k1由步骤a)得到，然后关断S4，电感电流缓慢下降至I-，再令S4开通，循环往复工作；当电压基准为过零为负时，关断S1与S4管，使逆变器电感电流过零；电感电流负半周期，令S3一直开通，当电感电流|IL|小于I-时，令S2开通时间，电感电流上升，其中k1由步骤a)得到，然后关断S2，电感电流|IL|下降至I-，再令S2开通，循环往复工作。
步骤b)所述逆变器电感电流过零时，判断逆变器是否工作在短路情况，包括以下步骤：
步骤Ⅰ)根据已知的主电路参数，包括输入输出电压、开关管的导通电阻Rdson、电感寄生阻抗、短路线电阻Rshort以及二极管导通压降，设定电流阈值为2I-与电压阈值为Vshort3＝I+·Rshort，进行过零检测判断；
步骤Ⅱ)当电压基准由正过零为负时，关断S1、S4开关管，同时给S2、S3一个的导通时间，根据电感电流的变化是否超过电流阈值以及输出电压是否超过电压阈值判断输出侧是否短路；当电压基准由负过零为正时，通过关断S2、S3开关管，同时给S1、S4一个的导通时间，根据电感电流的变化是否超过电流阈值以及输出电压是否超过电压阈值判断输出侧是否短路，若超出，则认为短路。
本发明的有益效果如下：
1)通过在电感电流过零时让四个开关管同时工作，避免电感电流断续，消除单极性SPWM控制所固有的电压波形过零畸变问题，改善波形质量。
2)通过减小逆变器在输出侧短路运行时的开关次数，降低逆变器短路运行损耗，提高系统在短路故障情况下的可靠性。
3)消除过零畸变方法与短路时的电感电流滞环控制方法均不增加系统复杂度，且易于实现。
4)适用于单极性SPWM以及单极性倍频SPWM两种调制策略的全桥逆变器。
5)适用于传统全桥逆变器与双降压式全桥逆变器。
附图说明
图1(a)为双降压式全桥逆变器主电路图，(b)为传统全桥主电路图。
图2为驱动时序示意图。
图3为电感电流过零示意图。
图4a为普通半周SPWM控制示意图。
图4b为本发明采用的过零拓宽半周SPWM控制示意图。
图5为电感电流波形图。
图6(a)为S1、S4导通工作模态图，(b)为S1、D4续流工作模态图。
图7为输出电压电流曲线图。
图8(a)为S1、S4导通工作模态图，(b)为S1、S2体二极管续流工作模态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明以双降压式全桥逆变器和传统全桥逆变器为例进行说明，主电路拓扑如图1(a)(b)所示。
1)正产运行时消除过零畸变方法
以单极性倍频SPWM控制的双降压式全桥逆变器为例，S1、S4在正半周期高频开关，负半周内不开通，同理，S2、S3在负半周期高频开关，正半周期内不开通，载波、调制波以及各路驱动信号如图2所示。由于开关次数减半可以显著降低驱动损耗和开关损耗，然而电感电流过零时会出现断续，造成输出电压的过零畸变，影响输出波形质量。
本发明通过拓宽各开关管的工作区间，即在电感电流过零时让4个桥臂的开关管同时工作，可以避免电感电流出现断续，从而消除过零畸变问题。
图3所示为电感电流连续与断续时的过零工作情况，图4a和图4b所示为普通半周SPWM控制与过零拓宽半周SPWM控制的输出电压波形、电感电流波形和各路驱动波形，通过上述方式可以获得高质量的输出电压波形，减小输出波形总谐波含量(Total HarmonicDistortion，THD)。
本发明通过拓宽开关管工作区间来改善波形质量，但是会增加功率器件的开关次数，增加损耗。所以在避免电感电流断续的情况下，应使拓宽的工作区间尽量小。
在主电路参数与开关频率已定的情况下，电感电流纹波可以确定为：
其中D为占空比，Vin为输入电压，Lf为回来总的滤波电感，fL为电感等效工作频率。电感电流过零附近，开关管占空比为0.5，此时电感电流纹波最大为△Imax。
通过配置寄存器，采样电感电流上升/下降中间时刻的值，设置过零拓宽的工作区间，将逆变器的一个输出周期分为三个工作区间，可以确保电感电流过零连续：
区间一：当采样的电感电流值大于时，关断S2、S3开关管，S1、S4采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间二：当采样的电感电流值为时，让S1、S2、S3、S4四个开关管同时采用单极性调制方式工作，各个开关管的驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间三：当采样的电感电流值小于时，关断S1、S4开关管，S2、S3采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到。
该种消除过零畸变的控制方法同样适用于传统全桥逆变器，拓宽区间的设计方法与双降压式全桥逆变器一致。
2)短路运行时的低损耗控制方法
以双降压式全桥逆变器为例，图5所示为滞环控制下的短路时电感电流波形，I+、I-分别为电流环宽的上下限。同样以电感电流为区分，分为正、负半周期工作。
正半周期，S1管常通，当S4开通时，工作回路如图6(a)所示，电感两端电压为Vin-Vshort，电流迅速上升，上升斜率为：
其中：Vin为输入电压，Vshort为短路时回路压降，Ltotal为总滤波电感。
当电感电流上升到大于I+时，S4关断，工作回路如图6(b)所示，电感两端电压为Vshort，电流通过D4续流，缓慢下降，下降斜率为：
当电感电流下降到小于I-时，S4开通，循环往复。负半周期S2、S3管工作情况与正半周相同。
由于航空静止变流器要求具有一定的过载能力以及带感性/容性负载的能力：
①能够1.5倍额定输出5min，2倍额定输出5s不损坏；
②能够承担功率因数容性0.9到感性0.7的负载。
如图7所示，阴影区域为正常工作区域范围，红色曲线是感性负载(0.7)下两倍过载运行时的输出电压与电感电流曲线，绿色曲线为容性负载(0.9)下两倍过载运行曲线。由于短路时负载阻抗极小，输出电压很低，逆变器短路运行时工作在大电流低电压状态即黄色区域部分。
为了准确判断逆变器输出侧是否短路，本发明通过同时设定电感电流与输出电压阈值，判断逆变器负载侧是否短路。逆变器正常运行时，采用双环控制，负载侧短路，采用电感电流滞环控制。为防止将过载运行或者带感性/容性负载判断为短路状态，参考图7可以选取合适的阈值作为短路判断标准，切换控制模式。
短路运行时，为了避免损耗过度集中，仍希望电感电流工作在双象限，即存在一个过零的过程。在过零阶段，电感电流与输出电压均较小，与正常工作状态一致。若此阶段采用正常电压外环电流内环的控制方式，则开关管需要多次开通关断，增加了损耗。
为了避免电感电流过零时开关管多次开关，本发明提出的控制方法当电压基准过零时，封锁该半周期工作的两个开关管，让另一组开关管导通一个固定的占空比，采集两时刻的电感电流，当电感电流变化大于阈值时，判断负载侧仍为短路，继续采用电感电流滞环控制。
①开关次数设计
本发明中短路状态下运行，开关管的开关次数与回路阻抗和滞环宽度△I有关。回路阻抗的计算与主电路有关，主要包括以下几个部分：
开关管导通电阻为Rdson；二极管的正向导通压降为UD；电感绕组电阻RL；短路连接线电阻R1，均可以通过查阅手册或者实际测量得到。
短路电感电流上升时回路压降为Vshort1＝(2Rdson+RL+R1)·IL；续流下降时回路压降为Vshort2＝(Rdson+RL+R1)·IL+1V，其中IL为短路时的电感电流。
由于数字控制的滞后特性，即该时刻的占空比计算值，需要到下一时刻才能使用，为了防止在一个开关周期内，电感电流迅速上升超过限定值，需要对S4(S2)预设一个占空比，根据电感电流滞环宽度ΔI＝I+-I-可以计算出正半周期S4导通一次的最大时间为：
续流下降时间可由式求出：
半个工作周期，S4开通关断次数约为：
其中T为输出工作周期。
②过零阈值设计
本发明以正弦电压基准为依据，判断是否让电感电流过零。以正半周期为例，当电压基准由正到负时，期望电感电流也由正到负。此时电感电流落在正半周期滞环内(I-～I+)，关断S1、S4管，使S3常通，给S2一个预置占空比，期望电感电流由正环宽切换到负环宽，即由(I-～I+)切换到(-I-～-I+)。
由于diL＝(2I-～2I+)，可以计算出过零所需的导通时间。通过给S2预置占空比，采集一个开关周期的电感电流的变化值，当电感电流变化值大于设定阈值并且输出电压小于设定阈值时，仍判断输出为短路，继续采用滞环电流控制。
该短路控制方式同样可以应用在传统全桥逆变器，电感电流正半周期短路时的工作模态可以分为以下两部分。
S1管常通，当S4开通时，工作回路如图8(a)所示，电感两端电压为Vin-Vshort，电流迅速上升，上升斜率为：
当电感电流上升到大于I+时，S4关断，工作回路如图8(b)所示，电感两端电压为Vshort，电流通过S2体二极管续流，缓慢下降，下降斜率为：
当电感电流下降到小于I-时，S4开通，循环往复。负半周期S2、S3管工作情况与正半周相同。
开关次数的设计与过零阈值的设计与双降压式全桥逆变器设计方法一致。

Claims (2)

1.一种全桥逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
当逆变器正常运行时，
步骤1)根据已知的主电路参数，包括电感工作频率fL、滤波电感Lf、输入电压Vin、等效占空比D，得电感电流纹波最大值为
步骤2)根据步骤1)中得到的电感电流纹波最大值设置边界条件，将逆变器的一个输出周期分为三个工作区间：
区间一：当采样的电感电流值大于时，关断S2、S3开关管，S1、S4采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间二：当采样的电感电流值为时，让S1、S2、S3、S4四个开关管同时采用单极性调制方式工作，各个开关管的驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
区间三：当采样的电感电流值小于时，关断S1、S4开关管，S2、S3采用单极性调制方式工作，驱动信号由调制波与各自的三角载波交截得到；
当逆变器输出侧对地短路运行时，
步骤a)根据已知的主电路参数，包括输入电压Vin、开关管导通电阻Rdson、电感寄生阻抗、短路线电阻Rshort以及二极管导通压降，计算得出短路运行时，电感电流的上升、下降斜率：其中上升斜率为下降斜率为式中Vshort1、Vshort2为电流通路阻抗导致的压降，与主电路参数有关，且k1>>k2；
步骤b)根据限流要求，确定出短路运行时正半周期电感电流滞环宽度为I-～I+,当电压基准为正时，令S1一直开通，当电感电流小于I-时，令S4开通时间，电感电流迅速上升，其中k1由步骤a)得到，然后关断S4，电感电流缓慢下降至I-，再令S4开通，循环往复工作；当电压基准为过零为负时，关断S1与S4管，使逆变器电感电流过零；电感电流负半周期，令S3一直开通，当电感电流|IL|小于I-时，令S2开通时间，电感电流上升，其中k1由步骤a)得到，然后关断S2，电感电流|IL|下降至I-，再令S2开通，循环往复工作。
2.根据权利要求1所述的全桥逆变器的输出波形改善和低损耗短路运行的控制方法，其特征在于，步骤b)所述逆变器电感电流过零时，判断逆变器是否工作在短路情况，包括以下步骤：
步骤Ⅰ)根据已知的主电路参数，包括输入输出电压、开关管的导通电阻Rdson、电感寄生阻抗、短路线电阻Rshort以及二极管导通压降，设定电流阈值为2I-与电压阈值为Vshort3＝I+·Rshort，进行过零检测判断；
步骤Ⅱ)当电压基准由正过零为负时，关断S1、S4开关管，同时给S2、S3一个的导通时间，根据电感电流的变化是否超过电流阈值以及输出电压是否低于电压阈值判断输出侧是否短路，若电感电流变化率超出阈值并且输出电压低于电压阈值，则认为短路；当电压基准由负过零为正时，通过关断S2、S3开关管，同时给S1、S4一个的导通时间，根据电感电流的变化是否超过电流阈值以及输出电压是否低于电压阈值判断输出侧是否短路，若电感电流变化率超出阈值并且输出电压低于电压阈值，则认为短路。
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