一种逆变电源装置的制造方法
专利名称:一种逆变电源装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型实施例公开了一种逆变电源装置，所述装置包括：直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传感器、电压电流采样单元、以及调制控制单元；其中，所述直流源与所述逆变电路相连；所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连；所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电流采样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变电路中开关管导通和关断。本实用新型实施例提供的技术方案，使逆变电源工作于不连续导通模式，在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗。
【专利说明】
一种逆变电源装置
技术领域
[0001] 本实用新型实施例涉及逆变电源技术领域，尤其涉及一种逆变电源装置。
【背景技术】
[0002] 高效率、高功率密度是逆变电源发展的重要方向。对于一定功率等级的逆变电源 装置，其功率密度取决于装置的体积，主要在于磁性元件和散热器的体积。散热器是为了快 速有效地散去逆变电源工作时产生的大量热量，避免毁坏设备。因此，其体积主要取决于逆 变电源工作时的损耗大小。若能降低逆变电源的损耗，不仅能够提高逆变电源的效率，还能 有效减小散热器的体积，从而提高功率密度。
[0003] 逆变电源中的损耗主要包括开关管损耗和磁性元件损耗。其中，功率开关管的损 耗包括通态损耗和开关损耗。其中，通态损耗由开关管的导通压降和流过的电流决定，通常 无法改变。而开关损耗是由开关器件在开通和关断过程中电压与电流的交叠导致的。由于 每个开关周期内逆变电源的开关管会完成一次开通和关断，因此，当逆变电源为提高性能 而增大开关频率必然会大幅地增大开关器件的损耗，从而大大增加了散热器件的体积和重 量，因此必须采取相应的措施降低逆变电源的损耗。
[0004] 降低开关损耗的有效途径就是尽可能地减少开关器件电压与电流的交叠时间，而 这往往是通过软开关技术实现的，即当电流为零后，使开关器件关断（或电压为零时，使开 关器件开通）。在小功率逆变电源中，软开关技术主要通过外加谐振电路来实现。根据其工 作原理和电路位置可分为谐振DC环节、谐振极、辅助谐振缓冲、主辅开关电路、载波控制等。 利用谐振电路来实现软开关时，谐振过程会在开关器件上产生很高的电压应力与电流应 力。因此，基于谐振电路的软开关技术仅仅适用于小功率领域。此外，谐振电路需要加入辅 助电容、电感及开关管等元件，这使得逆变电源的控制策略变得非常复杂，影响逆变电源的 稳定运行。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型实施例提供一种逆变电源装置，以实现逆变电路中开光管软开关，降 低开关管的损耗。
[0006] 本实用新型实施例提供了一种逆变电源装置，包括：
[0007] 直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传感器、电压电流采样单元、以及调制 控制单元;其中，
[0008] 所述直流源与所述逆变电路相连；
[0009] 所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连；
[0010] 所述电压电流采样单元的输入端通过所述电压传感器和电流传感器与所述逆变 电路的输出端相连，用于采集电压信号和电流信号；
[0011] 所述电压电流采样单元的输出端与所述调制控制单元的输入端相连，用于将采集 到的电压信号和电流信号输出至所述调制控制单元；
[0012] 所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电 流采样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变 电路中开关管导通和关断。
[0013] 本实用新型实施例提供的技术方案，采用电感使逆变电源工作于不连续导通模 式，在无需外加谐振电路的情况下根据电压电流采样单元输出的电流信号采用控制策略实 现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热器 的体积和重量，有效地提高了逆变器的功率密度。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是 本实用新型的一些实施例，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的附图。
[0015] 图1是本实用新型实施例一提供的一种逆变电源装置的结构示意图；
[0016] 图2是本实用新型实施例一提供的一个开关周期内电感电流波形图；
[0017] 图3是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的调制控制单元的结构示意 图；
[0018] 图4是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的电感电流波形图；
[0019] 图5是本实用新型实施例三提供的一种逆变电源装置的电压控制子单元的控制结 构示意图；
[0020] 图6是本实用新型实施例四提供的一种逆变电源装置的控制方法的流程示意图； [0021 ]图7是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置拓扑结构示意图；
[0022] 图8是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置空载时输出电压、输出电流 和电感电流波形图；
[0023] 图9是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置带阻性负载时输出电压、输 出电流和电感电流波形图；
[0024] 图10是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置带非线性负载时输出电压、 输出电流和电感电流波形图；
[0025] 图11是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置电感电流波形图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施 例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施 例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域 普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型 保护的范围。
[0027] 实施例一
[0028]图1是本实用新型实施例一提供的一种逆变电源装置的结构示意图，参见图1，所 述装置包括:直流源11、逆变电路12、电感L、电压传感器13、电流传感器14、电压电流采样单 元15、以及调制控制单元16;其中，
[0029] 所述直流源11与所述逆变电路12相连；
[0030] 所述逆变电路12的输出端通过所述电感L与负载相连；
[0031] 所述电压电流采样单元15的输入端通过所述电压传感器13和电流传感器14与所 述逆变电路12的输出端相连，用于采集电压和电流信号；
[0032] 所述电压电流采样单元15的输出端与所述调制控制单元16的输入端相连，用于将 采集到的电压和电流信号输出至所述调制控制单元16;
[0033] 所述调制控制单元16的输出端与所述逆变电路12的输入端相连，用于根据所述电 压电流采样单元15输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所 述逆变电路12中开关管导通和关断。
[0034] 逆变电路输出端输出的是高电压和大电流信号，一般不能直接送入电压电流采样 单元，可以通过电压传感器将高电压转换为电压电流采样单元可以接收的小电压信号，通 过电流传感器将大电流转换为电压电流采样单元可以接收的小电流信号，经电压电流采样 单元采集并输出电压和电流信号。
[0035] 其中，电感L感抗的基准值Rb定义为
[0036]
CI )
[0037] 电感L感抗的标幺值X，定义为
[0038]
(2)
[0039] 在本实施例中，逆变电源装置中使用的电感L的感抗标幺值X，满足：
[0040]
(3)
[0041] 其中:Xl为逆变电源额定输出频率下电感的感抗值；
[0042] coN为逆变电源装置的额定输出频率；
[0043] L为电感的电感值；
[0044] E为逆变电源直流母线相对中性点的电压幅值；
[0045] 1为额定输出电压峰值；
[0046] Ts为开关周期。
[0047]当选择的电感L满足条件（3)，向逆变电路12中的开关管施加相应的驱动控制信 号，得到的电感电流的波形如图2所示。使用电感L可以使逆变电源装置工作于不连续导通 模式，Ts为逆变电路12中开关管的一个开关周期，T s = T〇n+T〇ff，T〇n为开关管的导通时间，T〇ff 为开关管的关断时间，在开关管导通的时间Tc> n，电感电流一直在上升，并且在开关管关断时 刻达到最大;在开关管关断时间IWf，电感电流开始下降，并且在开关管下一次开通时刻t2 之前的时刻tl下降为0。开关管的下个开关周期重复上述过程，通过电感L可以实现逆变电 源装置工作于不连续导通状态。此时，可以通过有效的控制开关管的开通时间1^和关断时 间IWf，使tl和t2时刻之间有一定的时间裕量，实现开关管的零电流开通，达到软开关的效 果。
[0048] 电感L在电路中还起到滤波的作用，实际中一般选择在额定频率下，电感感抗的标 幺值小于1 %的电感L，而一般磁芯磁路不闭合的空心电感的电感值一般比较小，因此，所述 电感L可以为磁芯磁路不闭合的空心电感。使用磁芯磁路不闭合的空心电感L还可以有效地 减小电感体积，降低磁芯损耗，即降低了铁磁损耗。
[0049] 可选的，如图1所示，所述装置还包括：
[0050] 第一电容C1、第二电容C2、以及至少一个第三电容C3。
[0051] 所述第一电容C1与所述第二电容C2串联组成串联电路，所述串联电路与所述直流 源11并联；
[0052]所述第三电容C3的一端与所述逆变电路12的输出端相连，所述第三电容C3的另一 端与所述第一电容C1和所述第二电容C2的连接端相连。
[0053] 第一电容C1和第二电容C2可以稳定逆变过程直流源12两端的电压，确保装置可靠 工作。第三电容C3起滤波作用，图1中示例性的设置3个滤波电容C3，可以滤除逆变电路12输 出端的部分谐波。
[0054]本实施例中逆变电路为三相逆变桥电路，示例性的设置三个电感L和三个电容C3， 每一相都有一个电感L和电容C3。当逆变电路12的形式改变时，可以相应的设置电感L和电 容C3的个数。
[0055]本实施例提供的技术方案，采用小电感(如磁芯磁路不闭合的空心电感)来缩小电 感体积，提高功率密度，同时大幅降低或消除了磁芯损耗;并且使逆变电源工作于不连续导 通模式，可以在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大 幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热器的体积和重量，有效地提高了逆变电源装置 的功率密度。
[0056] 实施例二
[0057] 图3是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的调制控制单元的结构示意 图。参见图3,在上述实施例一的基础上，所述调制控制单元210包括：
[0058] 电流控制子单元211，用于根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制 所述PWM驱动控制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0059]电压控制子单元212,用于根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果， 控制所述PWM驱动控制信号的高电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0060] 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关 管导通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。
[0061] 电流控制子单元根据电流信号来控制PWM驱动控制信号，主要是为了确保在电感 电流为0时开通逆变电路中的功率管，即根据电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制 所述PWM驱动控制信号的低电平时长，可以使电感电流从0安培开始变化，并在逆变电路中 开关管的开关周期结束之前回到〇安培。
[0062] 示例性的，参见图4,电压电流采样单元输出PWM驱动控制信号，功率电路中开关管 在to时刻开通，t〇-tl时间开关管处于开通状态，电感电流在t〇-tl时间从0开始上升，在tl 时达到峰值，11为开关管关断时刻。在11时刻电感电流不能突变，方向也没有改变，电感电 流开始下降，在t2时刻下降为0,在t2时刻开关管的下个开关周期还没有开始，对于逆变桥 电路，在tl-t2时间，上下两个开关管都处于关断状态，可通过开关管的反并联二极管续流。 tl-t2为电流信号从峰值下降至零点的过零时间，tl-t3为PWM驱动控制信号的低电平时长， 电流控制子单元可以根据电流信号从峰值下降至零点的过零时间控制tl-t3的时间，以使 电感电流始终处于不连续状态，即在t2-t3时间电感电流为零，相邻两个控制周期之间，电 感电流始终断续。在t3时刻，开关管进入下一个开关周期，开关管再次导通。此时，由于电感 电流为零，开关管开通过程的电流为零，可以实现开关管的无损耗开通，实现软开关效果， 降低了开关管的开通损耗。t4时刻以后的时间逆变电路中的开关器件重复上述状态的变 化。上述过程表明通过控制PWM驱动控制信号的低电平时长，可以实现开关管的软开关。
[0063] 使用电感可以使逆变电路工作于不连续导通模式，在此基础上控制开关管的导通 时间和关断时间可以实现开关管的无损耗开通。在应用中，逆变电源装置一般是需要输出 正弦波电压，电压控制子单元根据电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述 PWM驱动控制信号的高电平时长，可以使逆变电源装置输出正弦波电压。当需要输出其他类 型的信号时，可以将电压信号与相应的调制信号进行比较，通过相应的控制算法，控制PWM 驱动控制信号的占空比。
[0064] 本实施例提供的技术方案，电流控制子单元通过控制输出PWM控制信号的低电平 时长，使逆变电源工作于不连续导通模式，在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路 中功率开关器件的软开关，减小了开关损耗；电压控制子单元根据电压信号与标准正弦波 电压信号的比较结果，控制所述PWM驱动控制信号的高电平时长，使逆变电源装置输出标准 的正弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压。
[0065] 实施例三
[0066] 图5是本实施例提供的一种逆变电源装置的电压控制子单元的控制结构示意图。 在上述实施例二的基础上，所述电压控制子单元具体用于：
[0067] 将所述电压信号与所述标准正弦波电压信号进行比较，确定差值；
[0068] 若所述差值大于设定阈值，则根据差值方向和差值大小，提高或者降低所述设定 PWM驱动控制信号的高电平时长。
[0069]其中，使用标准正弦波电压信号进行载波调制，可以使逆变电路输出标准的正弦 波。将电压信号与标准正弦波电压信号进行比较，确定差值;则根据差值方向和差值大小， 提高或者降低所述设定PWM驱动控制信号的高电平时长，可以调整PWM驱动控制信号的占空 比，以使二者之间差值消除，确保逆变电路输出标准的正弦波电压。具体地，参见图5,可以 在开关管的第k个开关周期的开始中，通过将向负载输出的电压采样信号 Uci(k)与参考指令 电压Ur(k)比较，确定差值，根据差值计算所对应输出的开关管的占空比d(k)的大小，并根 据控制信号d(k)控制开关器件动作，电压采样信号可通过电压电流采样单元获取。其中，占 空比为在开关管的每个开关周期中，电感电流持续上升的时间占整个开关周期的比例。
[0070] 本实施例提供的技术方案，可以实现逆变电电路中开关管软开关，并且使逆变电 路输出标准的正弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压。
[0071] 实施例四
[0072] 图6是本实用新型实施例四提供的一种逆变电源装置的控制方法的流程示意图。 所述方法可以由上述任意实施例中的逆变电源装置来执行，具体可由调制控制单元执行。 参见图6，本实施例提供的逆变电源的控制方法具体包括：
[0073] S310、向所述逆变电路中开关管的控制端输出脉宽调制PWM驱动控制信号；
[0074] S320、根据所述电压电流采样单元输出的电压信号和电流信号控制所述PWM驱动 控制信号。
[0075] 进一步的，根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制所述PWM驱动控 制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0076] 根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述PWM驱动控制信 号的高电平时长；
[0077] 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关 管导通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。
[0078] 进一步的，所述根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述 PWM驱动控制信号的高电平时长，包括：
[0079]将所述电压信号与所述标准正弦波电压信号进行比较，确定差值；
[0080]若所述差值大于设定阈值，则根据差值方向和差值大小，提高或者降低所述PWM驱 动控制信号的高电平时长。
[0081]本实施例提供的技术方案，采用相应的控制策略，在无需外加谐振电路的情况下 实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热 器的体积和重量，有效地提高了逆变电源装置的功率密度，并且使逆变电路输出标准的正 弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压，适用于各种中小功率三 相及单相逆变电源装置。
[0082] 实施例五
[0083] 图7是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置拓扑结构示意图。本实施例 是基于图7中所示的单相半桥逆变电源的拓扑结构，建立了逆变电源装置的MATLAB/ Simulink仿真模型并完成了仿真验证。参见图8,图8中为逆变电源装置空载时的输出电压 波形411、输出电流波形412和电感电流波形413。参见图9,图9中为逆变电源装置带阻性负 载时的输出电压波形421、输出电流波形422和电感电流波形423。参见图10,图10中为逆变 电源装置带非线性负载时的输出电压波形431、输出电流波形432和电感电流波形433。
[0084] 图11是在低频时电感电流波形的包络图。图8、图9、图10和图11表明在带任意负载 时，逆变电源装置都能够工作于不连续导通模式。并且可以在不连续导通模式下控制逆变 电源装置快速、准确地跟踪输入指令电压，实现逆变电源装置中开关器件的软开关，有效提 高逆变电源装置效率。
[0085] 注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会 理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明 显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例 对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离 本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附 的权利要求范围决定。
【主权项】
1. 一种逆变电源装置，其特征在于，包括:直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传 感器、电压电流采样单元、以及调制控制单元;其中， 所述直流源与所述逆变电路相连； 所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连； 所述电压电流采样单元的输入端通过所述电压传感器和电流传感器与所述逆变电路 的输出端相连，用于采集电压信号和电流信号； 所述电压电流采样单元的输出端与所述调制控制单元的输入端相连，用于将采集到的 电压信号和电流信号输出至所述调制控制单元； 所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电流采 样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变电路 中开关管导通和关断。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制控制单元包括： 电流控制子单元，用于根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制所述PWM 驱动控制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态； 电压控制子单元，用于根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所 述PWM驱动控制信号的高电平时长； 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关管导 通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电感的感抗标么值X，为： 兴1r 处r文妳棚疋刪〇〇观半丨、.电感的感抗值； ?N为逆变电源装置的额定输出频率； L为电感的电感值； Rb为额定输出电压有效值与额定输出电流有效值的比值； E为逆变电源直流母线相对中性点的电压幅值； Vm为额定输出电压峰值； Ts为开关周期。4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电感为磁芯磁路不闭合的空心电感。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 第一电容、第二电容、以及至少一个第三电容； 所述第一电容与所述第二电容串联组成串联电路，所述串联电路与所述直流源并联； 所述第三电容的一端与所述逆变电路的输出端相连，所述第三电容的另一端与所述第 一电容和所述第二电容的连接端相连。
【文档编号】H02M7/48GK205725498SQ201521142772
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】张宇, 关清心, 李民英, 匡金华
【申请人】广东志成冠军集团有限公司, 华中科技大学
【专利摘要】本实用新型实施例公开了一种逆变电源装置，所述装置包括：直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传感器、电压电流采样单元、以及调制控制单元；其中，所述直流源与所述逆变电路相连；所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连；所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电流采样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变电路中开关管导通和关断。本实用新型实施例提供的技术方案，使逆变电源工作于不连续导通模式，在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗。
【专利说明】
一种逆变电源装置
技术领域
[0001] 本实用新型实施例涉及逆变电源技术领域，尤其涉及一种逆变电源装置。
【背景技术】
[0002] 高效率、高功率密度是逆变电源发展的重要方向。对于一定功率等级的逆变电源 装置，其功率密度取决于装置的体积，主要在于磁性元件和散热器的体积。散热器是为了快 速有效地散去逆变电源工作时产生的大量热量，避免毁坏设备。因此，其体积主要取决于逆 变电源工作时的损耗大小。若能降低逆变电源的损耗，不仅能够提高逆变电源的效率，还能 有效减小散热器的体积，从而提高功率密度。
[0003] 逆变电源中的损耗主要包括开关管损耗和磁性元件损耗。其中，功率开关管的损 耗包括通态损耗和开关损耗。其中，通态损耗由开关管的导通压降和流过的电流决定，通常 无法改变。而开关损耗是由开关器件在开通和关断过程中电压与电流的交叠导致的。由于 每个开关周期内逆变电源的开关管会完成一次开通和关断，因此，当逆变电源为提高性能 而增大开关频率必然会大幅地增大开关器件的损耗，从而大大增加了散热器件的体积和重 量，因此必须采取相应的措施降低逆变电源的损耗。
[0004] 降低开关损耗的有效途径就是尽可能地减少开关器件电压与电流的交叠时间，而 这往往是通过软开关技术实现的，即当电流为零后，使开关器件关断（或电压为零时，使开 关器件开通）。在小功率逆变电源中，软开关技术主要通过外加谐振电路来实现。根据其工 作原理和电路位置可分为谐振DC环节、谐振极、辅助谐振缓冲、主辅开关电路、载波控制等。 利用谐振电路来实现软开关时，谐振过程会在开关器件上产生很高的电压应力与电流应 力。因此，基于谐振电路的软开关技术仅仅适用于小功率领域。此外，谐振电路需要加入辅 助电容、电感及开关管等元件，这使得逆变电源的控制策略变得非常复杂，影响逆变电源的 稳定运行。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型实施例提供一种逆变电源装置，以实现逆变电路中开光管软开关，降 低开关管的损耗。
[0006] 本实用新型实施例提供了一种逆变电源装置，包括：
[0007] 直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传感器、电压电流采样单元、以及调制 控制单元;其中，
[0008] 所述直流源与所述逆变电路相连；
[0009] 所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连；
[0010] 所述电压电流采样单元的输入端通过所述电压传感器和电流传感器与所述逆变 电路的输出端相连，用于采集电压信号和电流信号；
[0011] 所述电压电流采样单元的输出端与所述调制控制单元的输入端相连，用于将采集 到的电压信号和电流信号输出至所述调制控制单元；
[0012] 所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电 流采样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变 电路中开关管导通和关断。
[0013] 本实用新型实施例提供的技术方案，采用电感使逆变电源工作于不连续导通模 式，在无需外加谐振电路的情况下根据电压电流采样单元输出的电流信号采用控制策略实 现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热器 的体积和重量，有效地提高了逆变器的功率密度。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是 本实用新型的一些实施例，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的附图。
[0015] 图1是本实用新型实施例一提供的一种逆变电源装置的结构示意图；
[0016] 图2是本实用新型实施例一提供的一个开关周期内电感电流波形图；
[0017] 图3是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的调制控制单元的结构示意 图；
[0018] 图4是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的电感电流波形图；
[0019] 图5是本实用新型实施例三提供的一种逆变电源装置的电压控制子单元的控制结 构示意图；
[0020] 图6是本实用新型实施例四提供的一种逆变电源装置的控制方法的流程示意图； [0021 ]图7是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置拓扑结构示意图；
[0022] 图8是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置空载时输出电压、输出电流 和电感电流波形图；
[0023] 图9是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置带阻性负载时输出电压、输 出电流和电感电流波形图；
[0024] 图10是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置带非线性负载时输出电压、 输出电流和电感电流波形图；
[0025] 图11是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置电感电流波形图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施 例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施 例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域 普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型 保护的范围。
[0027] 实施例一
[0028]图1是本实用新型实施例一提供的一种逆变电源装置的结构示意图，参见图1，所 述装置包括:直流源11、逆变电路12、电感L、电压传感器13、电流传感器14、电压电流采样单 元15、以及调制控制单元16;其中，
[0029] 所述直流源11与所述逆变电路12相连；
[0030] 所述逆变电路12的输出端通过所述电感L与负载相连；
[0031] 所述电压电流采样单元15的输入端通过所述电压传感器13和电流传感器14与所 述逆变电路12的输出端相连，用于采集电压和电流信号；
[0032] 所述电压电流采样单元15的输出端与所述调制控制单元16的输入端相连，用于将 采集到的电压和电流信号输出至所述调制控制单元16;
[0033] 所述调制控制单元16的输出端与所述逆变电路12的输入端相连，用于根据所述电 压电流采样单元15输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所 述逆变电路12中开关管导通和关断。
[0034] 逆变电路输出端输出的是高电压和大电流信号，一般不能直接送入电压电流采样 单元，可以通过电压传感器将高电压转换为电压电流采样单元可以接收的小电压信号，通 过电流传感器将大电流转换为电压电流采样单元可以接收的小电流信号，经电压电流采样 单元采集并输出电压和电流信号。
[0035] 其中，电感L感抗的基准值Rb定义为
[0036]
CI )
[0037] 电感L感抗的标幺值X，定义为
[0038]
(2)
[0039] 在本实施例中，逆变电源装置中使用的电感L的感抗标幺值X，满足：
[0040]
(3)
[0041] 其中:Xl为逆变电源额定输出频率下电感的感抗值；
[0042] coN为逆变电源装置的额定输出频率；
[0043] L为电感的电感值；
[0044] E为逆变电源直流母线相对中性点的电压幅值；
[0045] 1为额定输出电压峰值；
[0046] Ts为开关周期。
[0047]当选择的电感L满足条件（3)，向逆变电路12中的开关管施加相应的驱动控制信 号，得到的电感电流的波形如图2所示。使用电感L可以使逆变电源装置工作于不连续导通 模式，Ts为逆变电路12中开关管的一个开关周期，T s = T〇n+T〇ff，T〇n为开关管的导通时间，T〇ff 为开关管的关断时间，在开关管导通的时间Tc> n，电感电流一直在上升，并且在开关管关断时 刻达到最大;在开关管关断时间IWf，电感电流开始下降，并且在开关管下一次开通时刻t2 之前的时刻tl下降为0。开关管的下个开关周期重复上述过程，通过电感L可以实现逆变电 源装置工作于不连续导通状态。此时，可以通过有效的控制开关管的开通时间1^和关断时 间IWf，使tl和t2时刻之间有一定的时间裕量，实现开关管的零电流开通，达到软开关的效 果。
[0048] 电感L在电路中还起到滤波的作用，实际中一般选择在额定频率下，电感感抗的标 幺值小于1 %的电感L，而一般磁芯磁路不闭合的空心电感的电感值一般比较小，因此，所述 电感L可以为磁芯磁路不闭合的空心电感。使用磁芯磁路不闭合的空心电感L还可以有效地 减小电感体积，降低磁芯损耗，即降低了铁磁损耗。
[0049] 可选的，如图1所示，所述装置还包括：
[0050] 第一电容C1、第二电容C2、以及至少一个第三电容C3。
[0051] 所述第一电容C1与所述第二电容C2串联组成串联电路，所述串联电路与所述直流 源11并联；
[0052]所述第三电容C3的一端与所述逆变电路12的输出端相连，所述第三电容C3的另一 端与所述第一电容C1和所述第二电容C2的连接端相连。
[0053] 第一电容C1和第二电容C2可以稳定逆变过程直流源12两端的电压，确保装置可靠 工作。第三电容C3起滤波作用，图1中示例性的设置3个滤波电容C3，可以滤除逆变电路12输 出端的部分谐波。
[0054]本实施例中逆变电路为三相逆变桥电路，示例性的设置三个电感L和三个电容C3， 每一相都有一个电感L和电容C3。当逆变电路12的形式改变时，可以相应的设置电感L和电 容C3的个数。
[0055]本实施例提供的技术方案，采用小电感(如磁芯磁路不闭合的空心电感)来缩小电 感体积，提高功率密度，同时大幅降低或消除了磁芯损耗;并且使逆变电源工作于不连续导 通模式，可以在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大 幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热器的体积和重量，有效地提高了逆变电源装置 的功率密度。
[0056] 实施例二
[0057] 图3是本实用新型实施例二提供的一种逆变电源装置的调制控制单元的结构示意 图。参见图3,在上述实施例一的基础上，所述调制控制单元210包括：
[0058] 电流控制子单元211，用于根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制 所述PWM驱动控制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0059]电压控制子单元212,用于根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果， 控制所述PWM驱动控制信号的高电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0060] 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关 管导通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。
[0061] 电流控制子单元根据电流信号来控制PWM驱动控制信号，主要是为了确保在电感 电流为0时开通逆变电路中的功率管，即根据电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制 所述PWM驱动控制信号的低电平时长，可以使电感电流从0安培开始变化，并在逆变电路中 开关管的开关周期结束之前回到〇安培。
[0062] 示例性的，参见图4,电压电流采样单元输出PWM驱动控制信号，功率电路中开关管 在to时刻开通，t〇-tl时间开关管处于开通状态，电感电流在t〇-tl时间从0开始上升，在tl 时达到峰值，11为开关管关断时刻。在11时刻电感电流不能突变，方向也没有改变，电感电 流开始下降，在t2时刻下降为0,在t2时刻开关管的下个开关周期还没有开始，对于逆变桥 电路，在tl-t2时间，上下两个开关管都处于关断状态，可通过开关管的反并联二极管续流。 tl-t2为电流信号从峰值下降至零点的过零时间，tl-t3为PWM驱动控制信号的低电平时长， 电流控制子单元可以根据电流信号从峰值下降至零点的过零时间控制tl-t3的时间，以使 电感电流始终处于不连续状态，即在t2-t3时间电感电流为零，相邻两个控制周期之间，电 感电流始终断续。在t3时刻，开关管进入下一个开关周期，开关管再次导通。此时，由于电感 电流为零，开关管开通过程的电流为零，可以实现开关管的无损耗开通，实现软开关效果， 降低了开关管的开通损耗。t4时刻以后的时间逆变电路中的开关器件重复上述状态的变 化。上述过程表明通过控制PWM驱动控制信号的低电平时长，可以实现开关管的软开关。
[0063] 使用电感可以使逆变电路工作于不连续导通模式，在此基础上控制开关管的导通 时间和关断时间可以实现开关管的无损耗开通。在应用中，逆变电源装置一般是需要输出 正弦波电压，电压控制子单元根据电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述 PWM驱动控制信号的高电平时长，可以使逆变电源装置输出正弦波电压。当需要输出其他类 型的信号时，可以将电压信号与相应的调制信号进行比较，通过相应的控制算法，控制PWM 驱动控制信号的占空比。
[0064] 本实施例提供的技术方案，电流控制子单元通过控制输出PWM控制信号的低电平 时长，使逆变电源工作于不连续导通模式，在无需外加谐振电路的情况下实现了逆变电路 中功率开关器件的软开关，减小了开关损耗；电压控制子单元根据电压信号与标准正弦波 电压信号的比较结果，控制所述PWM驱动控制信号的高电平时长，使逆变电源装置输出标准 的正弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压。
[0065] 实施例三
[0066] 图5是本实施例提供的一种逆变电源装置的电压控制子单元的控制结构示意图。 在上述实施例二的基础上，所述电压控制子单元具体用于：
[0067] 将所述电压信号与所述标准正弦波电压信号进行比较，确定差值；
[0068] 若所述差值大于设定阈值，则根据差值方向和差值大小，提高或者降低所述设定 PWM驱动控制信号的高电平时长。
[0069]其中，使用标准正弦波电压信号进行载波调制，可以使逆变电路输出标准的正弦 波。将电压信号与标准正弦波电压信号进行比较，确定差值;则根据差值方向和差值大小， 提高或者降低所述设定PWM驱动控制信号的高电平时长，可以调整PWM驱动控制信号的占空 比，以使二者之间差值消除，确保逆变电路输出标准的正弦波电压。具体地，参见图5,可以 在开关管的第k个开关周期的开始中，通过将向负载输出的电压采样信号 Uci(k)与参考指令 电压Ur(k)比较，确定差值，根据差值计算所对应输出的开关管的占空比d(k)的大小，并根 据控制信号d(k)控制开关器件动作，电压采样信号可通过电压电流采样单元获取。其中，占 空比为在开关管的每个开关周期中，电感电流持续上升的时间占整个开关周期的比例。
[0070] 本实施例提供的技术方案，可以实现逆变电电路中开关管软开关，并且使逆变电 路输出标准的正弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压。
[0071] 实施例四
[0072] 图6是本实用新型实施例四提供的一种逆变电源装置的控制方法的流程示意图。 所述方法可以由上述任意实施例中的逆变电源装置来执行，具体可由调制控制单元执行。 参见图6，本实施例提供的逆变电源的控制方法具体包括：
[0073] S310、向所述逆变电路中开关管的控制端输出脉宽调制PWM驱动控制信号；
[0074] S320、根据所述电压电流采样单元输出的电压信号和电流信号控制所述PWM驱动 控制信号。
[0075] 进一步的，根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制所述PWM驱动控 制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态；
[0076] 根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述PWM驱动控制信 号的高电平时长；
[0077] 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关 管导通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。
[0078] 进一步的，所述根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所述 PWM驱动控制信号的高电平时长，包括：
[0079]将所述电压信号与所述标准正弦波电压信号进行比较，确定差值；
[0080]若所述差值大于设定阈值，则根据差值方向和差值大小，提高或者降低所述PWM驱 动控制信号的高电平时长。
[0081]本实施例提供的技术方案，采用相应的控制策略，在无需外加谐振电路的情况下 实现了逆变电路中功率开关器件的软开关，大幅减小了开关损耗，从而可以大幅减小散热 器的体积和重量，有效地提高了逆变电源装置的功率密度，并且使逆变电路输出标准的正 弦波电压，使逆变电源能够向任意负载提供标准正弦波供电电压，适用于各种中小功率三 相及单相逆变电源装置。
[0082] 实施例五
[0083] 图7是本实用新型实施例五提供的一种逆变电源装置拓扑结构示意图。本实施例 是基于图7中所示的单相半桥逆变电源的拓扑结构，建立了逆变电源装置的MATLAB/ Simulink仿真模型并完成了仿真验证。参见图8,图8中为逆变电源装置空载时的输出电压 波形411、输出电流波形412和电感电流波形413。参见图9,图9中为逆变电源装置带阻性负 载时的输出电压波形421、输出电流波形422和电感电流波形423。参见图10,图10中为逆变 电源装置带非线性负载时的输出电压波形431、输出电流波形432和电感电流波形433。
[0084] 图11是在低频时电感电流波形的包络图。图8、图9、图10和图11表明在带任意负载 时，逆变电源装置都能够工作于不连续导通模式。并且可以在不连续导通模式下控制逆变 电源装置快速、准确地跟踪输入指令电压，实现逆变电源装置中开关器件的软开关，有效提 高逆变电源装置效率。
[0085] 注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会 理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明 显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例 对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离 本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附 的权利要求范围决定。
【主权项】
1. 一种逆变电源装置，其特征在于，包括:直流源、逆变电路、电感、电压传感器、电流传 感器、电压电流采样单元、以及调制控制单元;其中， 所述直流源与所述逆变电路相连； 所述逆变电路的输出端通过所述电感与负载相连； 所述电压电流采样单元的输入端通过所述电压传感器和电流传感器与所述逆变电路 的输出端相连，用于采集电压信号和电流信号； 所述电压电流采样单元的输出端与所述调制控制单元的输入端相连，用于将采集到的 电压信号和电流信号输出至所述调制控制单元； 所述调制控制单元的输出端与所述逆变电路的输入端相连，用于根据所述电压电流采 样单元输出的电压信号和电流信号生成脉宽调制PWM驱动控制信号，以控制所述逆变电路 中开关管导通和关断。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制控制单元包括： 电流控制子单元，用于根据所述电流信号从峰值下降至零点的过零时间，控制所述PWM 驱动控制信号的低电平时长，以使电感电流始终处于不连续状态； 电压控制子单元，用于根据所述电压信号与标准正弦波电压信号的比较结果，控制所 述PWM驱动控制信号的高电平时长； 其中，所述PWM驱动控制信号的低电平用于控制开关管断开，高电平用于控制开关管导 通，所述PWM驱动控制信号分别控制所述逆变电路中上下开关管导通和关断。3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电感的感抗标么值X，为： 兴1r 处r文妳棚疋刪〇〇观半丨、.电感的感抗值； ?N为逆变电源装置的额定输出频率； L为电感的电感值； Rb为额定输出电压有效值与额定输出电流有效值的比值； E为逆变电源直流母线相对中性点的电压幅值； Vm为额定输出电压峰值； Ts为开关周期。4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电感为磁芯磁路不闭合的空心电感。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 第一电容、第二电容、以及至少一个第三电容； 所述第一电容与所述第二电容串联组成串联电路，所述串联电路与所述直流源并联； 所述第三电容的一端与所述逆变电路的输出端相连，所述第三电容的另一端与所述第 一电容和所述第二电容的连接端相连。
【文档编号】H02M7/48GK205725498SQ201521142772
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】张宇, 关清心, 李民英, 匡金华
【申请人】广东志成冠军集团有限公司, 华中科技大学
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