一种高转换效率DC-AC逆变器及逆变方法与流程

本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及一种高转换效率dc-ac逆变器及逆变方法。

背景技术：

在dc-ac逆变器的工作过程中，由于逆变器的损耗发热，限制了逆变器开关频率，增大了输出电流纹波，降低了系统效率，限制了其在高频大功率工作场合的应用，对逆变器交直流两侧和系统均产生不利影响：

1.对于交流侧，逆变器损耗限制了其开关频率，进而增大输出电流纹波，危害负载的安全稳定运行。以电机负载为例，逆变器效率低，输出电流纹波大，增大了电机转矩脉动、运行噪声、轴承损伤和整体损耗，加快温升，缩短电机的使用寿命，严重时电机定、转子损耗过大，电机发热严重，对电机造成不可逆损伤；

2.对于直流侧，逆变器的低效率、高损耗影响了直流电源的利用率，增大了母线电流谐波，危害直流电源；

3.对于系统而言，逆变器作为其中重要的组成部分，影响着系统工作性能和效率，因此提高逆变器转换效率对我国工业绿色节能发展重大。

目前提高dc-ac逆变器转换效率的研究方案有改进逆变器调制算法、升级逆变器功率器件、改进逆变器拓扑结构等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种高转换效率dc-ac逆变器及逆变方法，降低逆变器损耗、提高转换效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高转换效率dc-ac逆变器，包含两个高频开关管和六个低频开关管；所述两个高频开关管串联构成前级桥臂，所述六个低频开关管每两个一组串联构成三个后级桥臂，三个后级桥臂并联构成后级全桥逆变单元，前级桥臂的中点、负端分别和后级全桥逆变单元的正端、负端对应相连，三个后级桥臂的中点作为三相输出端。

本发明还公开了一种该高转换效率dc-ac逆变器的逆变方法，包含如下步骤：

步骤1)，确定参考电压矢量所在扇区和所需施加的基本电压矢量；

步骤2)，基于伏秒平衡关系计算出所需施加的基本电压矢量的作用时间、以及在驱动传统三相全桥逆变器时传统三相全桥逆变器各开关管的开通关断时间；

步骤3)，根据零电压矢量的数量和对称性确定插入零电压矢量的位置；

步骤4)，令后级全桥逆变单元中的低频开关管和传统三相全桥逆变器中的开关管一一对应；

比较步骤2)传统三相全桥逆变器中三个桥臂上管的开通时间，得到开通时间最长的桥臂上管a、开通时间最短的桥臂上管b和开通时间居中的桥臂上管c；

使后级全桥逆变单元桥臂上管中对应a的低频开关管常开、对应b的低频开关管常断、对应c的低频开关管的开通时间为第二个有效电压矢量作用时间和部分零电压矢量作用时间之和，所述部分零电压矢量作用时间为第二个有效电压矢量作用期间插入的零电压矢量作用时间加上第一、第二有效电压矢量之间的零电压矢量作用时间的一半；

使前级桥臂的上管在零电压矢量作用期间关断、在有效电压矢量作用期间开通，且前级桥臂、三个后级桥臂的下管均与上管互补导通；

步骤5)，重复步骤1)至步骤4)，使得逆变器合成电压跟随给定参考电压。

作为该高转换效率dc-ac逆变器的逆变方法进一步的优化方案，所述步骤2)中计算出所需施加的基本电压矢量的作用时间时，各个零电压矢量作用时间满足对称性t0_i＝t0_n+1-i和零电压矢量作用时间总和不变，即式中，t0_i为第i个零电压矢量作用时间，t0_n+1-i为第n+1-i个零电压矢量作用时间，1≤i≤n，n为零电压矢量作用的总次数，t0为零电压矢量作用时间总和。

所述步骤3)中插入零电压数量可根据实际应用场合对电流纹波和逆变器损耗的要求确定。需要两个零电压矢量作用为后级低频器件提供零电压开关条件，因此一个载波周期中零电压矢量的数量不小于2。

本发明采用以上技术方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.通过改变零电压矢量的作用时间来控制输出电流，改变插入零电压矢量的数量来控制输出电流纹波；

2.前级高频开关器件高频斩波控制电流纹波，后级六个低频开关器件始终工作于零电压开关状态，几乎无开关损耗，提高系统效率。

附图说明

图1为本发明中逆变器模块拓扑图；

图2为参考电压矢量扇区划分与矢量合成图；

图3为本发明一个载波周期中插入两个零电压时逆变器各开关管的作用时序示意图(第一扇区为例)；

图4为本发明一个载波周期中插入三个零电压时逆变器各开关管的作用时序示意图(第一扇区为例)；

图5为本发明一个载波周期中插入四个零电压时逆变器各开关管的作用时序示意图(第一扇区为例)；

图6为本发明一个载波周期中插入五个零电压时逆变器各开关管的作用时序示意图(第一扇区为例)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种高转换效率dc-ac逆变器，包含两个高频开关管和六个低频开关管；所述两个高频开关管串联构成前级桥臂，所述六个低频开关管每两个一组串联构成三个后级桥臂，三个后级桥臂并联构成后级全桥逆变单元，前级桥臂的中点、负端分别和后级全桥逆变单元的正端、负端对应相连，三个后级桥臂的中点作为三相输出端。

本发明还公开了一种该高转换效率dc-ac逆变器的逆变方法，包含如下步骤：

步骤1)，确定参考电压矢量所在扇区和所需施加的基本电压矢量，如图2所示；

步骤2)，基于伏秒平衡关系计算出所需施加的基本电压矢量的作用时间、以及在驱动传统三相全桥逆变器时传统三相全桥逆变器各开关管的开通关断时间；

步骤3)，根据零电压矢量的数量和对称性确定插入零电压矢量的位置；

步骤4)，令后级全桥逆变单元中的低频开关管和传统三相全桥逆变器中的开关管一一对应；

比较步骤2)传统三相全桥逆变器中三个桥臂上管的开通时间，得到传统三相全桥逆变器中开通时间最长的桥臂上管a、开通时间最短的桥臂上管b和开通时间居中的桥臂上管c；

使后级全桥逆变单元桥臂上管中对应a的低频开关管常开、对应b的低频开关管常断、对应c的低频开关管的开通时间为第二个有效电压矢量作用时间和部分零电压矢量作用时间之和，所述部分零电压矢量作用时间为第二个有效电压矢量作用期间插入的零电压矢量作用时间加上第一、第二有效电压矢量之间的零电压矢量作用时间的一半；

使前级桥臂的上管在零电压矢量作用期间关断、在有效电压矢量作用期间开通，且前级桥臂、三个后级桥臂的下管均与上管互补导通；

步骤5)，重复步骤1)至步骤4)，使得逆变器合成电压跟随给定参考电压。

所述步骤2)中计算出所需施加的基本电压的作用时间时，各个零电压作用时间满足对称性t0_i＝t0_n+1-i和零电压矢量作用时间总和不变，即式中，t0_i为第i个零电压作用时间，t0_n+1-i为第n+1-i个零电压作用时间，1≤i≤n，n为零电压矢量作用的总次数，t0为零电压矢量作用时间总和。

所述步骤3)中插入零电压矢量数量可根据实际应用场合对电流纹波和逆变器损耗的要求确定。需要两个零电压矢量作用为后级低频器件提供零电压开关条件，因此一个载波周期中零电压矢量的数量不小于2。

图3、图4、图5、图6分别给出确定一个载波周期插入二、三、四、五个零电压矢量时逆变器各开关管作用时序示意图(均以第一扇区为例)，分别为在两个有效电压矢量之间插入零电压矢量，在两个有效电压矢量之间和第二个有效电压矢量中插入零电压矢量，在两个有效电压矢量之间和第一个有效电压矢量中插入零电压矢量，在两个有效电压矢量之间和两个有效电压矢量中均插入零电压矢量。图中的各个零电压矢量作用时间可改变，只要满足对称性t0_i＝t0_n+1-i(1≤i≤n)和零电压矢量作用时间总和不变即可，也可以继续在有效电压中插入零电压矢量。

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。