一种低压输入高压输出的两级式逆变器高效率调制方法
A High-Efficiency Modulation Method of Two-Stage Inverter with Low Voltage Input and High Voltage Output
通讯作者: 谢伟,高级工程师;E-mail:csuzhoupeng@163.com.
责任编辑: 孙伟
收稿日期: 2022-04-6 修回日期: 2022-05-17 接受日期: 2022-06-17
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Received: 2022-04-6 Revised: 2022-05-17 Accepted: 2022-06-17
作者简介 About authors
旷永红(1979-),博士,从事大功率变流和谐波控制研究.
车载逆变器向着小型化、轻量化和高功率密度的趋势发展.针对现有输入电压为DC 110 V 的车载单相逆变器采用Boost电路和全桥逆变两级独立调制而存在效率低、功率密度小等问题,提出了一种Boost电路和全桥逆变两级协同式调制方法.该方法根据输入电压与输出电压绝对值的大小关系使Boost电路和全桥逆变电路处于不同的工作方式,优化绝缘栅双极型晶体管开关状态和二极管通断状态,从而降低逆变器的损耗,提升逆变器效率.同时,该方法能减少全桥逆变电路的输出谐波,从而缩小滤波器件的尺寸,提升逆变器功率密度.设计制作一台2.75 kV·A车载逆变器样机,实验验证了所提方法的正确性和可行性.
关键词:
Miniaturization, lightweight, and high power density are development trends of vehicle-mounted inverters. The existing vehicle mounted single-phase inverter with DC 110 V input voltage adopts two-stage independent modulation between Boost circuit and full bridge inverter circuit, which has the problems of low efficiency and low power density. To solve these problems, a two-stage cooperative modulation between Boost circuit and full-bridge inverter circuit is studied. According to the relationship between the absolute value of input voltage and output voltage, the Boost circuit and the full-bridge inverter operate with different modes in the proposed method, which optimizes the insulated gate bipolar transistor(IGBT) switching state and diode on-off state to reduce the loss of the inverter and improve the efficiency of the inverter. At the same time, the output harmonics of the full-bridge inverter circuit can be reduced to decrease the size of the filter and improve the power density of the inverter. A 2.75 kV·A prototype is designed and fabricated. Experiments are conducted to verify the correctness and feasibility of the proposed method.
Keywords:
本文引用格式
旷永红, 谢伟, 田莉, 林愿, 周细凤.
KUANG Yonghong, XIE Wei, TIAN Li, LIN Yuan, ZHOU Xifeng.
随着车载单相逆变器向着体积小、效率高和功率密度高的趋势发展[1],现有研究着重于从拓扑结构、元器件材料、控制策略等方面减少逆变器的损耗,提高逆变器的电压输出波形质量[2⇓-4].文献[5]中分析了SiC MOSFET逆变器的损耗与电感体积的变化关系,通过减小电感体积来提高功率密度.丰瀚麟等[6]分析了反激型电流源光伏并网逆变器损耗的计算方法,推导出损耗与其变压器匝比密切相关,并给出其计算公式.李宗鉴等[7]研究了基于不同类型SiC MOSFET的Si/SiC混合器件逆变器,构建了其损耗模型并分析了损耗的差异性及产生的原因.文献[8]研究了高频SiC逆变器减少开关损耗的改进调制方法,利用SiC的反并联二极管续流特性,让一部分设置的SiC开关器件一直处于关闭状态,从而减少高频开关损耗.目前,车载单相逆变电源一般采用三相四线输出形式或者三相转单相变压器形式[9],这种单相电源频率与车载辅助变流器输出频率相同,但不能获得太大功率,否则三相电压不平衡度会超过标准的要求[10].另外,这种供电制式电源来自受电弓,一旦降弓,单相电源就没有输出,将影响到吸尘器、电脑、示波器等重要车载设备的使用.
车载单相负载一般为民用设备,不同国家单相民用设备的电源在电压和频率上各不相同,而传统的单相逆变器无法根据其应用对象不同而变化,因此通用性差.
为了实现车载单相逆变器能大功率独立输出,并且在没有受电弓工况下,单相逆变器能正常工作,研究者研制了在直流电流(DC)110 V输入条件下,实现不同电压和不同频率输出的车载单相逆变器.该单相逆变器由Boost电路和全桥逆变电路两级组成,两级电路以独立模式(两级独立式调制)工作,此模式下逆变器中的电力电子器件始终处于开关状态,因此这种逆变器存在损耗大、体积大、效率低的问题[11].为了提高这种结构逆变器的效率,文献[12]中采用倍频调制方式,研究了用SiC器件代替Si器件的光伏逆变器,分析结果显示频率越高效率提升越好.王强等[13]通过在这种电路中增加一个辅助电路来提高Boost电路输送给后级全桥逆变电路的电压,从而增大逆变器输出线电压的基波幅值,提高逆变器的效率.
针对车载逆变器高效率、高功率密度和小空间尺寸的要求,本文研究了一种两级协同式逆变调制方法,该调制方法根据输出电压绝对值大小和输入电压的关系,采取Boost电路和全桥逆变电路两级协同工作模式,优化电力电子器件开关状态,并对两级协同式模式下逆变器的工作过程进行了详细的理论推导和损耗计算分析.以某地铁单相逆变器为例,设计了一台2.75 kV·A的实验样机,对比分析了两级独立式调制方法与两级协同式调制方法的损耗.
1 低压输入高压输出单相逆变器调制原理及工作过程
1.1 Boost电路和全桥逆变电路两级式单相逆变器调制原理
式中:db为Boost电路的占空比;dfb为全桥逆变电路的占空比.
图1
现有车载单相逆变器采用两级独立式调制方法的工作过程为:先通过脉冲宽度调制(PWM)斩波将输入电压升至恒定直流电压VCb,然后通过全桥逆变电路进行正弦脉冲宽度调制(SPWM),具体调制波形如图2所示,其表达式如下:
式中:VCb为恒定值.
图2
图2
单相逆变器两级独立式调制波形
Fig.2
Two-stage independent modulation waveform of single phase inverter
在两级独立式调制方法中,中间直流电压满足VCb>
为了降低损耗、提高系统效率,本文采用两级协同式调制方法:当输入电压Vin高于输出电压绝对值
当
图3
图3
单相逆变器两级协同式调制波形
Fig.3
Two-stage collaborative modulation waveform of single phase inverter
从图3得出,经过LC滤波后,两级协同式调制方法实现了正弦输出,并且开关次数显著减少,有利于单相逆变器效率的提升.
1.2 两级协同式调制单相逆变器的工作过程分析
假设vo和io关系如下:
式中:Io为输出电流有效值;ω为输出角频率;φ为输出电压与输出电流的相位差.
图4
图4
两级协同式逆变调制开关状态转换
Fig.4
Switch status transition of two-stage collaborative inverter modulation
根据式(4)和式(5)可知,当输出电流超前电压相位φ时,在单相逆变器8个工作过程中,一共有6种工作模式.
(1) 0~t0:此时间段
(2) t0~t1:所有开关状态与0~t0时一致,从t0时刻开始,输出电流反向,Q1导通Q2关断时,电流流过Q1;Q1关断Q2导通时,电流流过Q2反并联二极管续流.
(3) t1~t2:从t1时刻开始
(4) t2~t3:与t0~t1工作过程一致.
(5) t3~t4:此时间段
(6) t4~t5:所有开关状态与t3~t4时一致,从t4时刻开始,输出电流反向,Q3导通Q4关断时,电流流过Q3;Q3关断Q4导通时,电流流过Q4反并联二极管续流.
(7) t5~t6:从t5时刻开始
(8) t6~t7:与t4~t5工作过程一致.
2 两级协同式调制逆变器的损耗与效率分析
采用两级协同式调制方法优化IGBT开关状态和二极管通断状态,分析该调制方法下的损耗和效率.
根据式(3)得出,一个开关周期内,Qb的导通时间为
式中:m为输入电压与输出电压峰值之比,m=
同理,一个开关周期内,Q1、Q2的IGBT导通时间分别为
由于Q1和Q3为对管,Q2和Q4也为对管,所以在一个输出周期中,Q1和Q3的损耗相同,Q2和Q4的损耗相同,仅需分析Q1和Q2的损耗就能得到全桥逆变电路的损耗.为了更好地分析逆变器所有开关器件的损耗分布情况,输出电压vo、输出电流相位φ以及Qb、Q1和Q2的驱动信号与电流波形如图5所示.图中,To为逆变器输出信号的周期.
图5
2.1 导通损耗分析
(1) IGBT导通损耗.
式中:vce(Ib)为Qb的导通压降.
式中:vce(
在t0~t1时间段内,Q2的IGBT处于SPWM工作状态;t5~t6时间段内,Q2处于导通状态,根据式(8)和IGBT导通损耗模型,得出Q2的IGBT导通损耗为
式中:vce(
(2) 二极管导通损耗.
二极管导通损耗包括Boost电路中二极管Db导通损耗和全桥逆变电路中IGBT反并联二极管导通损耗.
当
式中:vF(
在0~t0时间段内,Q1反并联二极管处于SPWM续流状态,结合式(7),得到其损耗为
式中:vF(
在t0~t1和t2~t3时间段内,Q2反并联二极管处于SPWM续流状态;在t3~t4时间段内,Q2反并联二极管处于一直导通状态,结合式(8)得到其损耗为
式中:vF(
2.2 开关损耗分析
当
式中:fs为IGBT的开关频率;Eon_N和Eoff_N分别为测试条件开通和关闭时IGBT所产生的能量;VCEN和ICN分别为测试条件下IGBT开通关断的电压和电流.Eon_N、Eoff_N、VCEN和ICN均可通过IGBT的数据手册获取.
在t0~t1和t2~t3时间段内,Q1的IGBT处于SPWM工作状态,Q1的开关损耗为
在t0~t1时间段内,Q2的IGBT处于SPWM工作状态,Q2的开关损耗为
2.3 二极管反向恢复损耗分析
当
式中:Err_N、VR和IF分别为测试条件下二极管反向恢复所产生的能量、二极管阻断电压和二极管关断前工作电流;α和β为二极管反向恢复的特征系数,与二极管的工艺有关,以英飞凌品牌为例,有α=0.55、β=0.45.Err_N、VR和IF均可通过二极管的数据手册获取.
在0~t0时间段内,Q1反并联二极管处于SPWM续流状态,二极管处于反向恢复状态,其反向恢复损耗为
在t0~t1和t2~t3时间段内,Q2反并联二极管处于SPWM续流状态,二极管处于反向恢复状态,其反向恢复损耗为
3 仿真与实验
以某地铁单相逆变器为例进行分析,其技术参数为:直流电压Vin=77~137.5 V,额定功率Po=2.75 kW,交流电压Vo=220 V,fs=25 kHz,输出频率fo=60 Hz.IGBT选用IXYS公司的MKI-75-A7型号.
3.1 仿真波形分析
根据上述技术参数,分别建立两级协同式调制和两级独立式调制两种方法下逆变器的仿真模型,各主电路参数分别为:斩波电感Lb=180 μH,输出电感Lo=150 μH,输出电容Co=100 μF.在确定Cb时,需满足电容的滤波截止频率大于5倍电路的输出频率,同时后级全桥逆变电路调制时,电容Cb上的电压波动小于5%.此处采用两级协同式调制时,Cb取值45 μF;而两级独立式调制方法中,由于电容需缓冲2倍输出频率对应的能量,电容上电压的波动不能超过5%,所以该方法中Cb取值450 μF.
图6中对比了两种调制方法下的输出波形,其中vAB为AB两点间的电压.从图中得出,采用两级协同式调制的方法能够使输出电流的谐波纹波更小,AB两点间的电压更接近正弦波,可以选更小的滤波器.
图6
图7对比了两种调制方法下,开关器件Qb、Q1和Q2的电压和电流波形.从图中得出,采用两级协同式调制方法后,所有开关器件的电应力都比两级独立式调制方法要低,开关器件的损耗也显著降低.
图7
图7
两种调制方法开关器件波形对比
Fig.7
Comparison of switching device waveform of two modulation methods
3.2 损耗分析
表1 两种调制方法下IGBT和二极管的损耗对比
Tab.1
调制方式 | IGBT 导通损耗 | IGBT 开关损耗 | 二极管导 通损耗 | 二极管反向 恢复损耗 |
---|---|---|---|---|
两级独立式 | 31.16 | 36.95 | 31.32 | 16.01 |
两级协同式 | 25.97 | 8.57 | 29.56 | 6.90 |
图8
从图8得出,在相同的技术参数下,采用两级协同式调制方法的逆变器,总损耗降低了38.5%;各开关器件中,仅Db损耗略有上升,这是因为Db的电流相比两级独立式调制方法有所增加,而且采用两级协同式调制方法后,各器件总体损耗更均匀,有利于逆变器热设计.
3.3 样机与实验结果
根据上述技术参数要求,制作一台采用两级协同式调制方法的样机(2.75 kV·A),长×宽×深为195 mm×81 mm×380 mm.在电路拓扑一致的前提下,采用两级独立式调制方法的现有25T单相逆变器(3.5 kV·A)的尺寸为540 mm×360 mm×490 mm.由于样机损耗降低、效率提升,同时采用了更优的热设计、器件选型和布局,所以实际样机的功率密度为现有单相逆变器的12.5倍.
图9为样机输出波形图,vo、io、vAB的有效值分别为118.86 V、24.23 A和119.05 V.从图上看出,样机在过0位置时和仿真波形一样,有一点畸变,这是由死区造成的;输出总谐波畸变率小于3%,与仿真结果一致.
图9
4 结语
针对车载单相逆变器尺寸小、效率高等要求,分析了两级协同式调制的单相逆变器的调制原理和工作过程,进行了损耗与效率的公式推导和计算,并与两级独立式调制方法进行了仿真对比,制作了一台2.75 kV·A单相两级协同式调制方法的逆变器样机.通过分析计算,样机损耗为71.0 W.与现有单相逆变器对比,样机的功率密度为现有单相逆变器的12.5倍.两级协同式调制方法能优化逆变器中滤波器的设计,文中对滤波器的参数并未做详细的分析和计算,而是取自实际工程应用,关于滤波器的设计可作为下一步的重点研究内容.
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Efficiency analysis of household PV inverter based on SiC MOSFET
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