专利名称：一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法
技术领域：
本发明涉及一种降低两级结构逆变器空载损耗的控制方法，属逆变器电源技术领域。
背景技术：
逆变器是一种将直流电源转换成交流电源的装置，在光伏发电，风力发电，汽车，船舶和电力等方面应用广泛。目前，随着现代电力电子技术的发展，不仅要研究如何提高逆变器的额定效率，如何提高逆变器的轻载效率，还要研究如何最大程度降低逆变器空载损耗，许多国外厂家的逆变器产品已经将空载损耗作为一项重要指标而列出。
逆变器有单级结构的，也有两级结构的。两级结构的逆变器，通常由前级的直流_直流变换电路和后级的直流_交流逆变电路串接构成。前级直流_直流变换电路将输入直流电压Uin变换成一个中间直流母线电压Ubus，再由后级直流_交流逆变电路将该中间直流母线电压Ubus转换成输出交流电压U。，如附图1所示。 现代电力电子电路的设计中，选择功率半导体器件(功率二极管，Mosfet， IGBT等)和设计各无源储能器件(变压器，电感，电容)都要根据电路额定功率来决定。因此，整个电路的效率通常表现为从空载处效率为零开始，随着负载增加效率也随之增加，并在一定负载下达到最高效率，随后随着负载的继续增加而效率开始下降，参见附图2。优秀的设计应该使电路在半载与满载间获得最高效率。两级结构逆变器也是遵循这样的规律。要降低两级结构逆变器的空载损耗，通常是从选择电路结构，选择设计器件方面入手。例如，前级直流_直流变换电路采用正激式直流变换电路比采用全桥式直流变换电路的空载损耗要小，因为前者使用的功率管数量更少；或者选择磁损更小的材料来设计电感和变压器，也可以降低空载损耗。 这些方法尽管能一定程度降低空载损耗，但因为在空载状态下，逆变器电路中各功率器件流过的电流很小，器件不能工作在额定设计状态，这使得器件的工作效率依然很低，而空载损耗的降低依然有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种两级结构逆变器的降低空载损耗的方法，它在逆变器空载状态下通过判断中间直流母线电压Ubus的状态来控制前级直流_直流变换电路的工作或停止，使前级直流_直流变换电路处于更高的工作效率，最终达到降低整个逆变器空载损耗的目的。 本发明的技术方案是， 本发明一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法为 两级结构逆变器的前级直流_直流变换电路将输入电压Uin转换成一个中间直流母线电压Ubus，后级直流_交流逆变电路再将该中间直流母线电压Ubus转换成预期的输出电压U。，由检测电路检测两级结构逆变器的电压、电流信号。依据检测信号结果控制前级直流_直流变换电路的工作或停止工作，使前级直流_直流变换电路处于更高的工作效率，达到降低整个逆变器空载损耗的目的。 本发明所述的两级结构逆变器的前级直流-直流变换电路可以是各种不隔离式
或隔离式直流-直流变换电路；该两级结构逆变器的后级变换器可以是各种不隔离式或隔离式直流-交流逆变电路。 本发明所述的检测电路设有两级结构逆变器实时输出电流i。和实时中间直流母线电压Ubus检测电路。
图3为本发明降低空载损耗控制方法的流程图，所述控制方法按以下步骤执行
步骤一 检测判断逆变器输出电流有效值I。是否为零或者小于一个极小值I。 min，如果是，则转入步骤二 ；如果不是，则输出开关信号on/off为l，即指令前级直流-直流变换电路工作，然后结束本算法； 步骤二 检测判断中间直流母线电压Ubus是否小于最小中间直流母线电压Ubus min，如果是，转入步骤三；如果不是，转入步骤五； 步骤三输出开关信号on/off为l，即指令前级直流-直流变换电路工作，然后转入步骤四； 步骤四等待检测判断下一拍中间直流母线电压Ubus是否大于等于额定中间直流母线电压Ubu^。m，如果是，则转入步骤五；如果不是，返回步骤四开始处； 步骤五输出开关信号on/off为0，即停止前级直流-直流变换电路工作，然后转入步骤一。 本发明所述的额定中间直流母线电压值Ubu^。m大于允许最小中间直流母线电压佶II
l且^bus—min0 本发明工作原理如图4所示。 图4中的0 t。和^ t2区间为前级直流_直流变换电路工作区间，在此区间前级直流_直流变换电路既给中间母线电容Cbus充电，又提供能量给后级直流_交流逆变电路维持逆变器输出电压，中间直流母线电压值从最小中间直流母线电压值Ubus min上升至额定中间直流母线电压值Ubus n。m ;t。 ^区间为前级直流_直流变换电路停止工作区间，在此区间中间母线电容Cbus对后级直流_交流逆变电路放电以维持逆变器输出电压U。，中间直流母线电压值从额定中间直流母线电压值Ubus M下降到最小中间直流母线电压值Ubus min。在空载状态下，前级直流_直流变换电路的负载包括中间母线电容和后级直流_交流逆变电路的空载损耗。不采用本发明方法的传统电路，中间母线电容上的电压维持恒定，即理想情况下中间母线电容上不消耗能量，前级直流-直流变换电路的负载就只包含了后级直流-交流逆变电路的空载损耗，其输出功率可以用附图4中的虚线功率P。来表示。而采用本
发明方法后，在0 t。和^ t2区间为前级直流-直流变换电路工作区间，前级直流-直
流变换电路既要给中间母线电容充电提供能量，又要提供后级直流-交流逆变电路的空载损耗，其输出功率可以用附图4中的实线功率P工来表示。显然有P工> P。，根据附图2中的效率规律曲线，有效率关系 > n。 (l) 即采用了本发明方法后，前级直流-直流变换电路工作时的效率获得了提高。而因为前级直流_直流变换电路的输出能量最终都是供给后级逆变电路，根据能量守恒的原理有 ^XPo二t。XPi (2) 因此，采用本发明方法后前级直流_直流变换电路在0 ^时间内输入的能量
E丄=P丄X t0/ n ! (3) 而采用传统方式工作的前级直流_直流变换电路在0 、时间内输入的能量E。为 E。二P。Xt乂n。 (4)
由公式(1) (4)可以推导得到 E丄< E。 (5) 即采用本发明的方法减小了空载下的两级结构逆变器的输入能量，即降低了空载损耗。 本发明与已有技术比较的有益效果是在两级结构逆变器空载状态下，通过控制前级直流_直流变换电路工作或停止，使得中间直流母线电压在一定范围内波动但能满足逆变器输出电压正常。断续工作的前级直流-直流变换电路在工作状态的输出功率比传统的连续工作的前级直流-直流变换电路的输出功率要大，从而在工作状态具有更高的工作效率。所以，采用本发明可以降低两级结构逆变器的空载损耗。本发明的控制方法简单易行，可以通过在现有的两级结构逆变器中增加简单硬件或软件实现降低空载损耗的目的。
本发明方法适用于两级结构逆变器空载损耗的控制。
图1为传统两级变流器电路结构框 图2为电力电子电路功率-效率曲线；
图3为降低空载损耗控制方法的流程 图4为降低空载损耗方法原理说明 图5为本发明的一个具体实施例；
图6为具体实施例实验波形。 图中图号表示(1)电池；(2)推挽式直流-直流变换电路；(3)全桥直流-交流逆变电路;(4)隔离驱动电路A ; (5)隔离驱动电路B ; (6) TMS320C2812处理器;(7)检测及转换电路；(8)内置A/D转换器；(9)降低空载损耗算法；(IO)前级直流变换电路控制算法；
(ll)P丽比较单元A ;(12)后级逆变电路控制算法；(13)P丽比较单元B ;
具体实施例方式
本发明实施例为一个采用了降低空载损耗方法的车载逆变器。电路如图5所示，主要由以下几部分组成12VDC铅酸蓄电池组(1);推挽式直流-直流变换电路(2);全桥直
流-交流逆变电路(3);隔离驱动电路A(4);隔离驱动电路B(5) ;TMS320C2812处理器(6);检测及转换电路(7)。 12VDC铅酸蓄电池组(1)电压Uin允许变化范围为10VDC 14. 7VDC。 推挽式直流-直流变换电路(2)中功率管Q工和Q2采用了 5个IRF3205并联，变压
器原副边变比为2 : 72，二极管D工 D4采用了 RHRP8120。电感Ls为lmH。电路开关频率
5为30kHz。中间母线电容Cbus为1000uF/500VDC，中间直流母线电压Ubus的允许变化范围为 340VDC 480VDC。 全桥直流-交流逆变电路(3)的功率管Q3 Q6采用IRG4PC50UD，滤波电感Lf为 2mH，滤波电容Cf为6. 8uF。开关频率为18kHz 。额定输出电压U。为220VAC。
隔离驱动电路A(4)的输入是TMS320C2812处理器产生的P丽l和P丽2信号，输出 分别驱动推挽式直流变换器中功率管和Q2。 隔离驱动电路B(5)的输入是TMS320C2812处理器(6)产生的P丽3，P丽4，P丽5和 P丽6信号，输出分别驱动全桥逆变电路的功率管Q3， Q4， Q5和Q6。 检测及转换电路(7)实时检测输入电压Uin，输入电流iin，中间直流母线电压ubus， 输出电压u。，输出电流i。和逆变电感电流iJ勺值并转换输出给TMS320C2812处理器(6)的 内置A/D转换器(8)。 TMS320C2812处理器(6)中主要包含降低空载损耗控制算法(9);前级直流变换 电路控制算法(10);后级逆变电路控制算法(12)。 TMS320C2812处理器(6)中的内置A/D转换器(8)将输入的各模拟信号转换成数 字值。其中，中间直流母线电压Ubid，输出电流i。d输出给降低空载损耗控制算法(9)，降 低空载损耗控制算法(9)计算输出开关信号on/off控制P丽比较单元A(ll);数值输入电 压uin d，输入电流iin d，中间直流母线电压ubus d，输入到前级直流变换电路控制算法(10)， 前级直流变换电路控制算法(10)计算得到的控制值再输出到内部的P丽比较单元A(ll)， 经其产生并输出前级直流_直流变换电路的P丽l和P丽2信号；数值输出电压u。 d，输出电 流i。—d和逆变电感电流输出给后级逆变电路控制算法(12)，该算法计算得到的控制值 再输出到内部的P丽比较单元B(13)，经其产生并输出后级直流_交流逆变电路的P丽3， P丽4， P丽5禾口 P丽6信号。
降低空载损耗控制算法(9)如下 步骤一 检测判断逆变器输出电流有效值I。是否小于0. 1A，如果是，则转入步骤 二 ；如果不是，则输出开关信号on/off为1，即指令前级直流_直流变换电路工作，然后结 束本算法； 步骤二 检测判断中间直流母线电压Ubus是否小于最小中间直流母线电压340V， 如果是，转入步骤三；如果不是，转入步骤五； 步骤三输出开关信号on/off为l，即指令前级直流-直流变换电路工作，然后转 入步骤四； 步骤四等待检测判断下一拍中间直流母线电压Ubus是否大于等于额定中间直流
母线电压370V，如果是，则转入步骤五；如果不是，返回步骤四开始处； 步骤五输出开关信号on/off为0，即停止前级直流_直流变换电路工作，然后转
入步骤一。 图6显示了在空载状态下中间直流母线电压，逆变器输出电压和反映降低空载损 耗控制算法输出的on/off信号的实验波形。可见，当中间直流母线电压低于340V时，降低 空载损耗控制算法输出的on/off信号为l，前级直流变换器开始工作直到中间直流母线电 压达到370V，然后降低空载损耗控制算法输出的on/off信号为0关闭了前级直流变换器， 但因为电路空载，直流母线电压变化缓慢。
6
实际测量采用了降低空载损耗方法的该逆变器的空载损耗为10. 7W，而没有采用 降低空载损耗方法的该逆变器的空载损耗为16. 1W，采用了本发明提出的方法后空载损耗 降低了 5. 4W。 本实例揭示的降低空载损耗控制方法使得两级结构逆变器的空载损耗可以减小， 节约了输入能耗。
权利要求
一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法，其特征在于，所述两级结构逆变器的前级直流-直流变换电路将输入电压Uin转换成一个中间直流母线电压Ubus，后级直流-交流逆变电路再将该中间直流母线电压Ubus转换成预期的输出电压Uo，由检测电路检测两级结构逆变器的电压、电流信号，依据检测信号结果控制前级直流-直流变换电路的工作或停止工作，使前级直流-直流变换电路处于更高的工作效率，达到降低整个逆变器空载损耗的目的。
2. 根据权利要求1所述的一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法，其特征在于，依据所述检测电路检测结果控制前级直流-直流变换电路的步骤为步骤一 检测判断逆变器输出电流有效值I。是否为零或者小于一个极小值I。—min，如果是，则转入步骤二 ；如果不是，则输出开关信号on/off为l，即指令前级直流-直流变换电路工作，然后结束本算法；步骤二 检测判断中间直流母线电压Ubus是否小于最小中间直流母线电压Ubus min，如果是，转入步骤三；如果不是，转入步骤五；步骤三输出开关信号on/off为l，即指令前级直流-直流变换电路工作，然后转入步骤四；步骤四等待检测判断下一拍中间直流母线电压Ubus是否大于等于额定中间直流母线电压U^—n。m，如果是，则转入步骤五；如果不是，返回步骤四开始处；步骤五输出开关信号on/off为0，即停止前级直流_直流变换电路工作，然后转入步骤一。
3. 根据权利要求1所述的一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法，其特征在于，所述的两级结构逆变器的前级直流_直流变换电路可以是各种不隔离式或隔离式直流_直流变换电路；该两级结构逆变器的后级变换器可以是各种不隔离式或隔离式直流_交流逆变电路。
4. 根据权利要求1所述的一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法，其特征在于，所述的检测电路设有两级结构逆变器实时输出电流i。和实时中间直流母线电压ubus检测电路。
全文摘要
一种两级结构逆变器降低空载损耗的方法，其特征在于，所述两级结构逆变器的前级直流-直流变换电路将输入电压Uin转换成中间直流母线电压Ubus，后级直流-交流逆变电路再将该中间直流母线电压Ubus转换成预期的输出电压Uo，由检测电路检测电压Ubus和逆变电路输出电流Io信号，结合设定的最小母线电压Ubus_min和额定母线电压Ubus_nom进行判断，来控制前级直流-直流变换电路的工作或停止工作，使母线电压Ubus工作在Ubus_min和Ubus_nom之间，并使前级直流-直流变换电路获得更高的工作效率，最终达到降低整个逆变器空载损耗的目的。本发明方法适用于降低两级结构逆变器空载损耗的控制。
文档编号H02M7/537GK101728957SQ20091018654
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者袁义生 申请人:华东交通大学