混合导通模式的逆变电源装置及其直接电荷量控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种混合导通模式的逆变电源装置及其直接电荷量控制方法，适用于高功率密度、高性能的单相及三相逆变电源。逆变电源由逆变桥、滤波电感、滤波电容以及直接电荷量控制器构成。该装置采用小电感量的滤波电感来降低其体积，并在减小磁芯损耗的同时降低开关损耗，缩小散热器体积，从而提高功率密度。但小滤波电感使得其电流在每个工频周期中的各个开关周期中即可工作在连续导通模式，也可工作于不连续导通模式。因此，本发明专利技术在每个开关周期中，采用直接电荷量控制器通过采样输出电压和负载电流，计算下一周期中流过滤波电感的总电荷量，并通过控制功率开关器件的通断时间来实现该电荷量，使装置能够对任意负载提供标准正弦供电电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于逆变器控制领域，更具体地，涉及一种混合导通模式的逆变电源装置及其直接电荷量控制方法。
技术介绍
高功率密度是逆变电源发展的必然趋势，但是提升功率密度难度极大。在逆变电源中，磁性元件和散热器是限制功率密度提升的瓶颈。要实现高功率密度必须在提高效率的同时有效地降低体积。提高逆变电源的效率必须降低其自身的损耗，而这些损耗主要集中在磁性元件和开关器件上。其中，磁性元件的损耗和体积都与逆变电源的工作方式密切相关，而散热器的体积则主要取决于开关器件的损耗。因此，通过合理的参数设计并采用合适的工作方式，能够在降低开关器件和磁性元件损耗的同时，有效地缩小散热器和磁性元件的体积。这既能提高逆变电源的效率，又能有效地提升功率密度。本专利技术的研究对象为图1所示的三相全桥逆变电源，其三相完全解耦，可等价为3个单相半桥逆变电源(如图2所示)，并按照单相半桥逆变电源进行分析和控制。逆变电源中，每个开关周期内开关器件会完成一次开通和关断(如图3,在一个开关周期Ts内，开关器件在驱动波形的上升沿开通，并在下降沿关断)，因此，开关器件的损耗分为开关损耗和通态损耗两部分。其中，通态损耗由开关器件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所产生。提高开关频率必然会大幅增加开关损耗，增大散热器的体积。因此，必须采取相应的措施降低逆变电源的开关损耗。在一定的开关频率下降低开关损耗的有效途径是尽可能地减少开关器件在开通和关断时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，即当开关器件电流为零后,使器件关断(或电压为零时,使器件开通)。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直流环节、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路，额外引入了电容、电感及开关器件等辅助元件，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。因此，在逆变电源中，应该在尽量不增加谐振电路的前提下，实现软开关。逆变电源中的磁性元件主要包括变压器和滤波电感。其中，逆变电源中的变压器可以通过采用合理的共地技术完全去除，从而消除相应的损耗。但是，作为滤波元件的电感是无法去除的，其损耗很大一部分集中在磁芯上。为降低损耗，我们可以减小磁芯的体积(或采用无磁芯的空心电感来完全去除磁芯损耗)，但是这会使单位体积下所能实现的电感量大幅降低。在逆变电源中，这会使其电流进入如图3a所示的不连续导通模式。在该模式下，由于电感电流在每个开关周期都会回零，使功率开关器件在不增加谐振电路的前提下实现了零电流开通的软开关模式，其开通过程中的损耗接近为零。此外，借助功率开关器件的寄生电容还可实现零电压关断，使关断过程中的损耗较小。开关损耗的降低还可减小散热器的尺寸。因此，在逆变电源中降低滤波电感的电感量，既能缩小电感的体积，减小磁芯损耗，也能降低开关损耗，缩小散热器的体积，从而在整体上大幅提高逆变电源的效率和功率密度。此外，在降低电感量的同时，若保证逆变电源的输出功率不变，则会使逆变电源工作在混合导通模式(即带额定负载时，每个工频周期中，滤波电感电流在部分开关周期工作于不连续导通模式，在其余开关周期工作于连续导通模式)。对于混合导通模式的逆变电源需要对其工作状态及数学模型进行分析。目前广泛采用的逆变电源数学模型都是针对电感电流工作在连续模式下，以占空比为控制量建立的线性状态空间平均模型(占空比定义为：一个开关周期中开关器件的开通时间占整个开关周期的比例)。而当电感电流工作在不连续导通模式时，连续模式下的数学模型不再适用，其模型变得高度非线性化。并且，工作在混合导通模式下的逆变电源需要根据两种模式下的数学模型分别设计不同的控制器，还需要考虑模式切换问题。这使得混合导通模式下的控制器设计非常复杂。
技术实现思路
针对现有技术中混合导通模式下的控制器设计复杂的缺陷，本发明的目的在于解决以上技术的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种混合导通模式的逆变电源装置，其特征在于，在逆变器的交流侧依次配置有滤波电感、交流电压传感器、滤波电容、交流电流传感器、电压电流采样单元及直接电荷量控制器，在逆变器的直流侧配置有直流侧电容，其中，所述直流侧电容与所述逆变桥的输入端相连；所述逆变桥的输出端通过所述滤波电感与所述负载端相连；所述滤波电容与所述滤波电感相连，与所述负载端并联；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桥的输出端相连，用于采集电压信号和电流信号；其输出端与所述直接电荷量控制器的输入端相连，用于将采集到的电压信号和电流信号输出至所述直接电荷量控制器；所述直接电荷量控制器的输出端与所述逆变桥的控制信号输入端相连，用于根据所述电压电流采样单元提供的电压信号和电流信号生成电荷量控制信号，并将该信号输出到占空比计算单元，所述占空比计算单元根据该信号计算相应的占空比信号并输出给逆变桥，所述逆变桥根据该占空比信号控制其开关器件的开通和关断。优选地，采用小电感量的滤波电感并且其电流工作于混合导通模式，即减小了磁芯损耗，也降低了开关损耗，同时缩小了电感和散热器的体积，从而提高了功率密度。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种混合导通模式的直接电荷量控制器，其特征在于，所述直接电荷量控制器包括电荷量控制单元和占空比计算单元；所述电压电流采样单元在第k个开关周期的开始时刻，将逆变电源装置的正弦输入指令与输出电压,通过减法器相减获得偏差值；所述电荷量控制单元根据偏差值和输出电流采样值，计算并输出第k+1个开关周期内维持输出电压为标准正弦波所需的充放电电荷量；占空比计算单元根据所述电荷量控制单元的输出信号，计算并输出所对应工作模式下的占空比信号，所述逆变桥根据该占空比信号控制其开关器件的开通和关断。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种混合导通模式的直接电荷量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)所述逆变电源装置在第k个开关周期的开始时刻，将所述逆变电源装置的正弦输入指令与输出电压的采样值通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合导通模式逆变电源装置，其特征在于，所述电源装置包括逆变桥，在所述逆变桥的交流侧依次配置有滤波电感、交流电压传感器、滤波电容、交流电流传感器、电压电流采样单元及直接电荷量控制器，在逆变桥的直流侧配置有直流侧电容，其中，所述直流侧电容与所述逆变桥的输入端相连；所述逆变桥的输出端通过所述滤波电感与所述负载端相连；所述滤波电容与所述滤波电感相连，与所述负载端并联；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桥的输出端相连，用于采集滤波电容电压信号和输出电流信号；其输出端与所述直接电荷量控制器的输入端相连，用于将采集到的电压信号和电流信号输出至所述直接电荷量控制器；所述直接电荷量控制器包括占空比计算单元和电荷量控制单元；所述直接电荷量控制器的输出端与所述逆变桥的控制信号输入端相连，用于根据所述电压电流采样单元提供的电压信号和电流信号生成电荷量控制信号，并将该信号输出到占空比计算单元，所述占空比计算单元根据该信号计算相应的占空比信号并输出给逆变桥，所述逆变桥根据该占空比信号控制其功率开关器件的开通和关断。

【技术特征摘要】
1.一种混合导通模式逆变电源装置，其特征在于，所述电源装
置包括逆变桥，在所述逆变桥的交流侧依次配置有滤波电感、交流电
压传感器、滤波电容、交流电流传感器、电压电流采样单元及直接电
荷量控制器，在逆变桥的直流侧配置有直流侧电容，其中，
所述直流侧电容与所述逆变桥的输入端相连；
所述逆变桥的输出端通过所述滤波电感与所述负载端相连；
所述滤波电容与所述滤波电感相连，与所述负载端并联；
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
感器与所述逆变桥的输出端相连，用于采集滤波电容电压信号和输出
电流信号；其输出端与所述直接电荷量控制器的输入端相连，用于将
采集到的电压信号和电流信号输出至所述直接电荷量控制器；
所述直接电荷量控制器包括占空比计算单元和电荷量控制单元；
所述直接电荷量控制器的输出端与所述逆变桥的控制信号输入
端相连，用于根据所述电压电流采样单元提供的电压信号和电流信号
生成电荷量控制信号，并将该信号输出到占空比计算单元，所述占空
比计算单元根据该信号计算相应的占空比信号并输出给逆变桥，所述
逆变桥根据该占空比信号控制其功率开关器件的开通和关断。
2.如权利要求1所述的混合导通模式逆变电源装置，其特征在
于，所述滤波电感的电流在所述电源装置输出电流过零点附近的多个
开关周期中工作于不连续导通模式，在输出电流峰值附近的多个开关
周期中工作于连续导通模式。
3.一种应用于如权利要求1或2所述的混合导通模式逆变电源
装置的直接电荷量控制器，其特征在于，所述直接电荷量控制器包括

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，关清心，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42