CN113067489A - 一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统 - Google Patents

一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统。本发明基于每个开关周期内开关动作时逆变器侧的目标环流纹波峰值和要达到每相目标环流峰值所需要的开关频率得到开关周期更新值，进而使得开关周期内并联逆变器零电压开通，环流仅通过耦合电感在两个逆变器之间流动，不影响输出侧，无需对三相电路解耦，开关频率变化范围小，功率密度高，同时环流控制不影响输出侧，环流控制与输出电流存在解耦关系，可以实现零电压开通在非功率因数下运行。

Description

一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和 系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统。
背景技术
电力电子变换器作为电力变换领域的核心，不断向高功率密度和高效率的趋势发展，而提高开关频率可减少无源元件体积，是增加功率密度的最有效的方式之一。当前应用新一代宽禁带半导体功率器件(SiC、GaN等)的电力电子变换器开关频率通常可以工作在百千赫兹以上，但在常规硬开关条件下，开关频率的增加也伴随着开关损耗和EMI噪声的增加，因此限制了开关频率的进一步提高。然而，软开关技术可以有效的消除开关过程中电压和电流的重叠，并且降低它们的变化率，从而降低开关损耗和EMI噪声。软开关包括零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)两种，根据SiC MOSFET和GaN器件的双脉冲测试，其开通损耗远高于关断损耗，所以我们通常关注零电压开通问题。
增加辅助电路使电压周期谐振至零来创造零电压开通条件是一种传统的软开关方式，需要使用额外的器件，并且控制时序复杂、功率密度和开关频率的提升受到限制。增加电感电流纹波使电感电流双向流动，并利用寄生元件来创造零电压开通条件是目前广泛使用的方法，主要包括临界传导模式(CRM)和三角电流模式(TCM)。但是，CRM和TCM主要适用于单相变换器，对于三相变换器需要进行解耦，从而使每相工作频率不一致且开关频率变化范围大，增加了滤波器体积。目前，纹波电流预测和“CRM+DCM+DPWM”是实现三相非解耦变换器的零电压开通两种新颖方法，但是这两种方法输出电流纹波大、适用于单位功率因数条件，且DCM存在谷值开关出现非ZVS的情况。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法和系统。本发明的技术方案如下。
一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，包括：
在每个开关周期，对三相电压调制信号采样，得到三相占空比；
对于三相中的任意一相，基于并联桥臂的PWM信号对开关周期分段，并对输出电流采样，基于零电压开通所需的环流纹波计算每个开关周期内开关动作时逆变器侧的目标环流纹波峰值；
计算出要达到每相目标环流峰值所需要的开关频率，基于开关频率的最小值得到开关周期更新值；
采用开关周期更新值更新并联逆变器的开关周期，以使得开关周期内并联逆变器零电压开通。
优选的，对于三相电压的a相，得到第一逆变器占空比da1和第二逆变器占空比da2，根据第一逆变器占空比da1和第二逆变器占空比da2对开关周期分段，确定开关动作时间点；
对输出电流采样得到参考电流ic，根据参考电流ic和最小边界电流i0得到达到边界电流所需的最大环流峰值icir_peak_a，最小边界电流i0使得结电容完全充放电达到开通电压为零；其中，对于a1相：ic+icir＝ia1，当下桥臂开通时icir_peak_a+ic≥i0，当上桥臂开通时，icir_peak_a+ic≤-i0；对于a2相：ic-icir＝ia2，当上桥臂开通时，ic-icir_peak_a≤-i0，当下桥臂开通时，ic-icir_peak_a≥i0；其中，a1相为第一逆变器的a相，a2相为第二逆变器的a相；
根据开关频率函数(1)求出实现a相零电压开通所需要的最小开关频率；
Figure BDA0003002796150000021
其中，fx为每相计算得到的开关频率值，dx为占空比，L为耦合电感的自感，M为耦合电感的互感，Vdc为直流母线电压，icir_peak_x为每相的目标环流纹波峰值；并且
Figure BDA0003002796150000022
优选的，基于逆变器输出公式(2)对开关周期分段；
Figure BDA0003002796150000023
其中，Va1O1为第一逆变器输出电压、Va2O1为第二逆变器输出电压。
优选的，基于占空比da1对应的开关导通、关断时间点分别为
Figure BDA0003002796150000031
Figure BDA0003002796150000032
和占空比da2对应的开关关断、开通的两个时间点分别为
Figure BDA0003002796150000033
Figure BDA0003002796150000034
确定开关动作时间点。
优选的，根据三相电压调制信号得到调制比m和电角度θ，基于调制比m和电角度θ计算占空比。
一种上述零电压开通并联逆变器的方法的系统，包括：
采样计算模块，实时对输出电流和并联逆变器电压的进行采样，并计算占空比，根据并联PWM信号进行周期分段，计算开关动作时所需的环流纹波峰值；
环流控制模块，从采样计算模块得到环流纹波峰值，控制开关频率达到零电压开通所需的最大环流纹波峰值；
开关周期更新模块，根据环流控制模块计算的开关频率更新系统的开关周期和载波。
相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明提供的零电压开通并联逆变器，通过控制环流纹波峰值来改变电感电流方向，不需要辅助电路，结构简单，零电压开通范围可覆盖整个工频周期。
2.本发明提供的零电压开通并联逆变器，环流仅通过耦合电感在两个逆变器之间流动，不影响输出侧，不需对三相电路解耦，开关频率变化范围小，功率密度高。
3.本发明提供的零电压开通并联逆变器，环流控制不影响输出侧，从而使环流控制与输出电流存在解耦的特点。由于环流由逆变器电压决定，因此系统可以在非功率因数下运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器拓扑图；
图2为基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器单相环流纹波控制图；
图3为基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器零电压开通波形图；
图4为基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器方法流程图；
图5为基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器系统示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提出的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器拓扑电路如图1所示。以a相为例，ia1和ia2分别为两个逆变器的a相输出电流，ia为a相总输出电流，L1为耦合电感，L2为输出侧滤波电感，O1、O2分别为直流侧电容中点和交流侧输出中点。
图2是a相的环流纹波等效电路图，Va1O1、Va2O1分别为a相两个逆变器输出电压，a相环流纹波为：icir＝(ia1-ia2)/2，Vcm为O2到O1之间的共模电压。
图3为单个开关周期并联逆变器的零电压开通波形图，并联逆变器采用180度载波移相。da1和da2为两个逆变器的占空比，两个开关的PWM信号决定了功率器件的开关动作和环流纹波。环流纹波与参考电流ic的叠加为a相两个逆变器耦合电感的对应电流，在上桥臂开关开通时使耦合电感电流小于0实现上桥臂的零电压开通，在下桥臂开关开通时使耦合电感电流大于0实现下桥臂的零电压开通，其中，i0为设置的最小边界电流。
如图4所示，对三相电压调制信号采样，得到三相占空比，以a相为例，得到两个逆变器占空比da1和da2。
根据此占空比对开关周期分段，并确定开关动作时间点。根据a相的两个逆变器输出电压Va1O1、Va2O1和环流纹波电流的关系推导出公式：
Figure BDA0003002796150000051
由此公式可以得知，环流纹波的斜率由逆变器两个输出电压决定。为了预测环流纹波图形，将两个PWM的占空比da1和da2分别对应的高电平(对应
Figure BDA0003002796150000052
)、低电平(对应
Figure BDA0003002796150000053
)，把一个开关周期分为5段，以便于预测5段环流纹波电流斜率。
参考图3，根据以上的开关周期分为5段，可以确定每段的时间点(可用占空比表示)，占空比da2确定的开关关断和开通的两个时间点分别为
Figure BDA0003002796150000054
Figure BDA0003002796150000055
而占空比da1对应的开关导通和关断时间点为
Figure BDA0003002796150000056
结合周期分段的纹波电流斜率预测纹波电流波形。
同时，对输出电流采样得到参考电流ic，根据参考电流ic和最小边界电流i0可以求出达到边界电流所需的最大环流峰值icir_peak_a，其中对于a1相：ic+icir＝ia1，当下桥臂开通时icir_peak_a+ic≥i0，当上桥臂开通时，icir_peak_a+ic≤-i0；对于a2相：ic-icir＝ia2，当上桥臂开通时，ic-icir_peak_a≤-i0，当下桥臂开通时，ic-icir_peak_a≥i0。每相的环流峰值都要满足此范围，应用时取相等的情况即可，然后对三相得到的环流峰值取最大值进行环流控制。
根据环流峰值与开关频率的关系，
Figure BDA0003002796150000057
Figure BDA0003002796150000058
可以求出实现a相零电压开通所需要的最小开关频率。同理，对其他两相也可求出对应的最小开关频率，再对三相的最小开关频率取最小值作为开关周期的更新值。
利用周期更新值更新并联逆变器的开关周期，从而实现当前开关周期内两个并联逆变器的零电压开通。具体更新过程为：通过预测每个开关周期实现零电压开关需要的开关频率，搭建的开关频率更新模块可以生成周期为周期更新值的载波信号，当载波的周期更新时，也就代表了开关周期的更新，然后与调制波进行调制即可控制两个逆变器工作。只需更新每个周期的开关频率即可实现并联逆变器全范围的零电压开通。
如图5所示，本实施例提供了一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器控制系统，包括采样计算模块、环流控制模块和开关周期更新模块。三相电压调制信号包括调制比m和电角度θ。每个开关周期的占空比是由调制比m和电角度θ决定的。采样计算模块实时对输出电流和并联逆变器电压的进行采样，并计算占空比，然后根据并联PWM信号进行周期分段，计算开关动作时实现零电压开通所需的环流纹波峰值。环流控制模块从采样计算模块得到环流纹波峰值，然后控制开关频率达到最大环流纹波峰值。开关周期更新模块根据环流控制模块计算的开关频率更新系统的开关周期和载波。具体地：根据三相电压调制信号得到调制比m和电角度θ，从而计算出占空比。根据占空比、输出电流采样、最小边界电流i0，进而得到开关频率更新值，然后生成相应的载波，更新开关频率。更新后的开关频率形成的载波信号与调制信号Ma1等比较生成用于控制开关开通和关断的Sa1等开关脉冲，控制逆变器工作，从而实现整个系统运行。
相比于传统的三相逆变器零电压开通，本发明提出的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器，不需要额外的辅助电路、不需要解耦，只需控制开关频率即可对逆变器侧的耦合电感的环流峰值进行控制，从而实现零电压开通。环流纹波不影响输出侧的电流，从而降低负载损耗，可以实现逆变器的非功率因数条件运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上实施例的说明，只是用于帮助理解本专利的方法及其核心思想；同时本说明书内容不应理解为对本专利的限制，本领域技术人员，在没有创造性劳动的前提下，对本专利所做出的修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请中。

Claims (6)

1.一种基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，其特征在于，
在每个开关周期，对三相电压调制信号采样，得到三相占空比；
对于三相中的任意一相，基于并联桥臂的PWM信号对开关周期分段，并对输出电流采样，基于零电压开通所需的环流纹波计算每个开关周期内开关动作时逆变器侧的目标环流纹波峰值；
计算出要达到每相目标环流峰值所需要的开关频率，基于开关频率的最小值得到开关周期更新值；
采用开关周期更新值更新并联逆变器的开关周期，以使得开关周期内并联逆变器零电压开通。
2.根据权利要求1所述的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，其特征在于，对于三相电压的a相，得到第一逆变器占空比da1和第二逆变器占空比da2，根据第一逆变器占空比da1和第二逆变器占空比da2对开关周期分段，确定开关动作时间点；
对输出电流采样得到参考电流ic，根据参考电流ic和最小边界电流i0得到达到边界电流所需的最大环流峰值icir_peak_a，最小边界电流i0使得结电容完全充放电达到开通电压为零；其中，对于a1相：ic+icir＝ia1，当下桥臂开通时icir_peak_a+ic≥i0，当上桥臂开通时，icir_peak_a+ic≤-i0；对于a2相：ic-icir＝ia2，当上桥臂开通时，ic-icir_peak_a≤-i0，当下桥臂开通时，ic-icir_peak_a≥i0；其中，a1相为第一逆变器的a相，a2相为第二逆变器的a相；
根据开关频率函数(1)求出实现a相零电压开通所需要的最小开关频率；
Figure FDA0003002796140000011
其中，fx为每相计算得到的开关频率值，dx为占空比，L为耦合电感的自感，M为耦合电感的互感，Vdc为直流母线电压，icir_peak_x为每相的目标环流纹波峰值；并且
Figure FDA0003002796140000021
3.根据权利要求2所述的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，其特征在于，
基于逆变器输出公式(2)对开关周期分段；
Figure FDA0003002796140000022
其中，Va1O1为第一逆变器输出电压、Va2O1为第二逆变器输出电压。
4.根据权利要求3所述的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，其特征在于，基于占空比da1对应的开关导通、关断时间点分别为
Figure FDA0003002796140000023
Figure FDA0003002796140000024
和占空比da2对应的开关关断、开通的两个时间点分别为
Figure FDA0003002796140000025
Figure FDA0003002796140000026
确定开关动作时间点。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法，其特征在于，根据三相电压调制信号得到调制比m和电角度θ，基于调制比m和电角度θ计算占空比。
6.一种实现权利要求1-5任一所述的基于环流纹波控制的零电压开通并联逆变器的方法的系统，其特征在于，包括：
采样计算模块，实时对输出电流和并联逆变器电压的进行采样，并计算占空比，根据并联PWM信号进行周期分段，计算开关动作时所需的环流纹波峰值；
环流控制模块，从采样计算模块得到环流纹波峰值，控制开关频率达到零电压开通所需的最大环流纹波峰值；
开关周期更新模块，根据环流控制模块计算的开关频率更新系统的开关周期和载波。
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