一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种消除输入电流纹波的两级式逆变器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着能源消耗量的日益增加，储量有限的化石燃料日益减少并终将枯竭，发展清 洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。在新能源及其它分布式发 电系统中，为获得负载所需的高压交流电，带有前级直流变换器的逆变器已得到了广泛的 应用。例如附图1所示，为一种典型的反激两级式逆变器。对于这种系统，交流输出功率中 含有的两倍频功率脉动反馈到直流输入侧表现为低频电流纹波，会影响蓄电池、燃料电池 等输入源的使用寿命，严重时会干扰直流电源系统的稳定性，因此解决新能源发电系统中 的电流纹波问题，提高新能源的利用效率已刻不容缓。近年来，为了解决这个问题，出现了 一些关于抑制电流纹波的逆变电路拓扑和控制策略。在电路中并联大电解电容或者LC谐 振电路，通过将谐振电路频率设计为两倍输出频率，可以实现消除电流纹波的目的，但电解 电容的使用寿命有限，且要滤除低频电流纹波所需的电感和电容体积都比较大，降低了系 统的可靠性和功率密度。也可在电路中接入有源滤波器，但额外增加的电路必然需要额外 的控制系统，使整个系统都变的较为复杂，不利于一体化。而把辅助电路嵌入到原有的变换 器中，只需适当改进原有的控制方法就可以实现直流输入侧电流纹波的消除。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种消除输入电流纹 波的两级式逆变器及其控制方法，该逆变器不仅能够实现直流变交流的逆变，而且同时消 除了直流输入侧的电流纹波，减小了输入电流纹波对输入源的干扰，提高了系统效率。
[0004] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0005] -种消除输入电流纹波的两级式逆变器包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔 离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂以及 滤波电路，其中直流电源的正极分别接输入电容的一端和隔离变压器的原边绕组同名端， 直流电源的负极分别接输入电容的另一端和原边开关管的发射极，原边开关管的集电极接 隔离变压器的原边绕组异名端，副边开关管的集电极接隔离变压器的副边绕组异名端，两 个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极、副边开关管的发射极和中间直流母 线电容的一端连接构成逆变桥臂的正输入端，第二开关管的发射极、隔离变压器的副边绕 组同名端和中间直流母线电容的另一端连接构成逆变桥臂的负输入端，第一开关管的发射 极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第一逆变桥臂的输出端接到滤波电 路的正端，第二逆变桥臂的输出端接到滤波电路的负端；还包括由隔离变压器的两个辅助 绕组、辅助开关管和辅助电容构成的辅助电路，其中辅助开关管包括两个开关管，隔离变压 器的辅助绕组由相同匝数的辅助绕组Nxl、Nx2组成，第一辅助开关管的集电极接第一辅助绕 组Nxl的异名端，第一辅助开关管的发射极分别与第二辅助开关管的集电极和辅助电容的 一端相连，第二辅助开关管的发射极接第二辅助绕组Nx2的同名端，辅助电容的另一端分别 接第一辅助绕组Nxl的同名端和第二辅助绕组Nx2的异名端。
[0006] -种消除输入电流纹波的两级式逆变器的控制方法，其中，逆变桥臂的控制方法 为传统单级性PWM调制；还包括以下步骤：
[0007] 步骤A，检测辅助电容电压信号，中间直流母线电压信号，逆变桥臂的输入电流信 号；
[0008] 步骤B，将步骤A得到的辅助电容电压信号输入辅助电容电压控制电路，获得辅助 电容电压扰动信号；
[0009] 步骤C，将步骤A得到的中间直流母线电压信号输入中间直流母线电压控制电路， 获得中间直流母线电压扰动信号；
[0010] 步骤D，将步骤A得到的中间直流母线电压信号和逆变桥臂的输入电流信号输入 基准生成电路，获得原边电流参考信号和副边电流参考信号；
[0011] 步骤E，将步骤B得到辅助电容电压扰动信号加入步骤D得到的原边电流参考信 号，获得原边电流实际参考信号；
[0012] 步骤F，将步骤C得到的中间直流母线电压扰动信号加入步骤D得到的副边电流参 考信号，获得副边电流实际参考信号；
[0013] 步骤G，将步骤E得到的原边电流实际参考信号和步骤F得到的副边电流实际参考 信号输入调制波生成电路，获得第一、第二、第三调制波信号；
[0014] 步骤H，将前述第一、第二调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二逻辑 信号；
[0015] 步骤I，将步骤G得到的第三调制波信号输入过零比较器，获得第三逻辑信号；
[0016] 步骤J，将前述第一逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再 经过逻辑非门，得到原边开关管的控制信号；
[0017] 将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻 辑信号经过逻辑异或门后，和第三逻辑信号一起接入逻辑与门，得到第一辅助开关管的控 制信号；
[0018] 将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一、第二逻 辑信号经过逻辑异或门，第三逻辑信号经过逻辑非门后，再一起接入逻辑与门，得到第二辅 助开关管的控制信号；
[0019] 将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信 号、第一辅助开关管的控制信号和第二辅助开关管的控制信号一起接入逻辑或非门，得到 副边开关管的控制信号；
[0020] 步骤K，将步骤J得到的原边开关管的控制信号，第一辅助开关管的控制信号，第 二辅助开关管的控制信号以及副边开关管的控制信号分别输入驱动电路，得到原边开关管 的驱动信号、副边开关管的驱动信号以及两个辅助开关管的驱动信号，控制该两级式逆变 器。
[0021] 本发明与原有技术相比的主要技术特点是，由于副边增加了辅助绕组，通过控制 辅助开关管（9)的开通关断把纹波转移到辅助电容（10)上，从而实现对输入电流纹波的消 除，而且传统两级式逆变器的功能也被保持。
【附图说明】
[0022] 附图1是传统两级式逆变器电路结构示意图。
[0023] 附图2是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主电路及其控制方法 的结构示意图。
[0024] 附图3是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器中隔离变压器等效后 的电路结构示意图。
[0025] 附图4是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主要工作波形示意图。
[0026] 附图5~附图9是本发明的一种消除输入电流纹波的两级式逆变器的各开关模态 示意图。
[0027] 附图10是本发明应用于输出电压220V/50HZ场合下输入电流、辅助电容电压、副 边电流及中间直流母线电压的仿真波形。
[0028] 附图11是本发明应用于输出电压220V/50HZ场合下中间直流母线电压、逆变桥臂 的输入电流及输出电压的仿真波形。
[0029] 上述附图中的主要符号名称A、电源电压。Q、输入电容。 功率开关管。Cd。、中间直流母线电容。?；、隔离变压器。Ni、隔离变压器原边绕组。N2、隔离 变压器副边绕组。K、激磁电感。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。&、负载。Nxl、Nx2隔离变压器 辅助绕组。Cx、辅助电容。vx、辅助电容两端电压。vd。、中间直流母线电压。Vc]、逆变器输出 电压。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0031] 附图2所示的是一种消除输入电流纹波的两级式逆变器主电路及其控制方法的 结构示意图。由直流电源t、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边开关管4、中间 直流母线电容5、两个逆变桥臂6和7、滤波电路8、辅助开关管9及辅助电容10组成。Sp、 Ss、SfS4、Sxl、Sx2是八只功率开关管，Ci是输入电容，?\是隔离变压器，Cx是辅助电容，Cd。 是中间直流母线电容，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，L为负载。v。、逆变器输出 电压。
[0032] 检测辅助电容电压信号vx，中间直流母线电压信号vd。，逆变桥臂的输入电流信号 iinv;将辅助电容电压信号vx输入辅助电容电压控制电路，获得辅助电容电压扰动信号；将 中间直流母线电压信号&输入中间直流母线电压控制电路，获得中间直流母线电压扰动 信号；将中间直流母线电压信号vd。和逆变桥臂的输入电流信号iιην输入基准生成电路，获 得原边电流参考信号Iu和副边电流参考信号ih;将辅助电容电压扰动信号加入原边电 流参考信号Iu，获得原边电流实际参考信号I: ，将中间直流母线电压扰动信号加入副边 电流参考?目号ih，获得副边电流实际参考?目号Lrcf，将原边电流实际参考?目号Ii和副 边电流实际参考信号i2 ^输入调制波生成电路，获得第一调制波信号Mi、第二调制波信号 M2和第三调制波信号Μ3;将第一调制波信号Mi和第二调制波信号Μ2分别输入PWM控制电 路，获得第一逻辑信号(^和第二逻辑信号C2;将第三调制波信号Μ3输入过零比较器，获得 第三逻辑信号C3;将第一逻辑信号(^输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再经 过逻辑非门，得到原边开关管的控制信号Qp;将第一逻辑信号Ci、第二逻辑信号(：2和第三逻 辑信号C3分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号C 第二逻辑信号C2经过逻辑 异或门后，和第三逻辑信号C3-起接入逻辑与门，得到第一辅助开关管的控制信号Qxl;将 第一逻辑信号Q、第二逻辑信号C2和第三逻辑信号C3分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第 一逻辑信号(^和第二逻辑信号(： 2经过逻辑异或门，第三逻辑信号(：3经过逻辑非门后，再一 起接入逻辑与门，得到第二辅助开关管的控制信号Qx2;将第一逻辑信号Ci、第二逻辑信号C2 和第三逻辑信号C3分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号q、第一辅助开关管的 控制信号Qxl和第二辅助开关管的控制信号Qx2-起接入逻辑或非门，得到副边开关管的控 制信号Qs;将原边开关管的控制信号Qp，第一辅助开关管的控制信号Qxl，第二辅助开关管的 控制信号Qx2以及副边开关管的控制信号Qs分别输入驱动电路，得到原边开关管