一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法
2023-10-11 02:24:49
專利名稱：一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高電能轉換裝置中的逆變器可靠運行的方法，尤其涉及 一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法。
背景技術：
隨著全球溫室效應的加劇、化石能源的枯竭以及電力電子技術的快速發展， 風能、太陽能等新能源得到越來越廣泛的應用，利用電力電子技術的靜止式逆 變電源應用得到大幅度的提高，兩級式結構是靜止式逆變電源常用的主電路結 構，其中前級為直/直變換，將有一定變化範圍的輸入電壓高頻隔離變換到一個 合理的穩定的電壓值，後級直/交逆變實現穩壓穩頻的正弦波輸出。電流控制型 逆變器具有控制穩定性好、跟蹤速度快、電源品質好、具有自然輸出限流功能、
可靠性高的特點得到廣泛應用。作為供電系統中的一個電源，常常要求電源輸 出短路時能輸出幾倍額定電流的能力，如在航空電源應用場合，要求逆變電源
具有三倍短路電流維持5秒種。由於電流控制型逆變器在輸出短路時，電流大 (要求三倍額定電流)且持續時間長(整個輸出周期都處於最大電流工作)，對 固定開關頻率的SPWM電流控制型逆變器來說短路時電流脈動量加大導致工作 的峰值電流進一步增大，對電流滯環控制型逆變器來說同時此時開關頻率也達 到最高，因此功率管開關損耗很大，常因過熱而損壞，為了保證可靠短路運行， 不得不提高器件的功率等級，使得電路的成本提高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出 一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行 可靠性的方法。
種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法，將逆變器輸出電壓 經過欠壓保護電路得到高電平信號或低電平信號，具體方法是將交流電壓經過 半波整流二極體後由第一電阻和第二電阻分壓得到採樣電壓，將第一直流電源 經過第三電阻和第四電阻分壓得到欠壓保護電路的第一基準電壓，將第一直流 電源經過第六電阻和第七電阻分壓得到欠壓保護電路的第二基準電壓，將採樣 電壓加於第一運算放大器的反相端，將第一基準電壓加於第一運算放大器的同 相端，將第二基準電壓加於第二運算放大器的同相端，當採樣電壓小於第一基 準電壓時第一運算放大器輸出低電平信號並加於第二運算放大器的反相端得到 第二運算放大器輸出的低電平信號，採用第二運算放大器輸出的低電平信號導 通開關二極體，將第二直流電源經過第八電阻給RS觸發電路低電平觸發信號，
釆用RS觸發電路接收低電平觸發信號後輸出低電平信號即欠壓保護電路輸出 低電平信號，當採樣電壓大於第一基準電壓時第一運算放大器輸出高電平信號 並加於第二運算放大器的反相端得到第二運算放大器輸出的高電平信號，採用 第二運算放大器輸出的高電平信號關斷開關二極體，將第二直流電源經過第八 電阻給RS觸發電路高電平觸發信號，採用RS觸發電路接收高電平觸發信號後 輸出高電平信號即欠壓保護電路輸出高電平信號；將欠壓保護電路的高電平信 號或低電平信號經過基準電壓選通電路得到DC-DC模塊的控制信號即第一基準 信號或第二基準信號，第一基準信號小於第二基準信號，當基準電壓選通電路 接收到欠壓保護電路輸出的低電平信號時輸出第一基準信號，當基準電壓選通 電路接收到欠壓保護電路輸出的高電平信號時輸出第二基準信號；當基準電壓 選通電路輸出第一基準信號，採用採樣電路採集功率變換器的輸出電壓即逆變 器的輸入電壓，將採樣的逆變器的輸入電壓和第一基準信號經過電壓環得到 PWM控制信號，將PWM控制信號經過PWM驅動器得到功率變換器低電平驅 動信號，採用功率變換器採集功率變換器低電平驅動信號和接收直流電源的輸 出電壓並根據功率變換器低電平驅動信號降低功率變換器的輸出電壓即逆變器 的輸入電壓；當基準電壓選通電路輸出第二基準信號，採用採樣電路採集功率 變換器的輸出電壓即逆變器的輸入電壓，將採樣的逆變器輸入電壓和第二基準 信號經過電壓環得到PWM控制信號，將PWM控制信號經過PWM驅動器得到 功率變換器高電平驅動信號，採用功率變換器採集功率變換器高電平驅動信號 和接收直流電源的輸出電壓並根據功率變換器高電平驅動信號提高功率變換器 的輸出電壓即逆變器的輸入電壓。
本發明提出當檢測到逆變器輸出電壓大小，通過降低逆變電源直/交級的輸 入電壓(即直/直級輸出電壓)值來降低逆變電源輸出短路運行時開關管的工作 電壓和開關管的開關頻率，從而降低開關損耗，保證輸出短路時的安全可靠運 行《
圖l:本發明整體結構圖2:現有逆變器短路條件下輸入電壓和輸出電流波形； 圖3:本發明逆變器輸入電壓為360V時的短路運行仿真圖； 圖4:本發明逆變器輸入電壓為180V時的短路運行仿真圖。 圖中主要符號名稱Ud---逆變器輸入電壓，Vo---交流電壓，Io—逆變器輸 出電流，Ugs---功率變換器驅動信號。
具體實施例方式
如圖1所示， 一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法，其具 體方法是將逆變器5的輸出電壓Vo經過半波整流二極體D！後由第一電阻&和 第二電阻R2分壓得到採樣電壓Vi，將第一直流電源Vccl經過第三電阻&和第 四電阻R4分壓得到欠壓保護電路1的第一基準電壓Vpl，將第一直流電源Vccl經過第六電阻R6和第七電阻R7分壓得到欠壓保護電路1的第二基準電壓Vp2， 將採樣電壓Vi加於第一運算放大器U,的反相端，將第一基準電壓Vpl加於第 一運算放大器U,的同相端，將第二基準電壓Vp2加於第二運算放大器112的同 相端，當採樣電壓Vi小於第一基準電壓Vpl時第一運算放大器"輸出低電平 信號並加於第二運算放大器U2的反相端得到第二運算放大器U2輸出的低電平
信號，採用第二運算放大器U2輸出的低電平信號導通開關二極體D2，將第二直
流電源Vcc2經過第八電阻&給RS觸發電路11低電平觸發信號，採用RS觸 發電路11接收低電平觸發信號後輸出低電平信號即欠壓保護電路1輸出低電平 信號，當採樣電壓Vi大於第一基準電壓Vpl時第一運算放大器U,輸出高電平
信號並加於第二運算放大器U2的反相端得到第二運算放大器U2輸出的高電平 信號，採用第二運算放大器U2輸出的高電平信號關斷開關二極體D2，將第二直
流電源Vcc2經過第八電阻Rg給RS觸發電路11高電平觸發信號，採用RS觸 發電路11接收高電平觸發信號後輸出高電平信號即欠壓保護電路1輸出高電平 信號；將欠壓保護電路1的高電平信號或低電平信號經過基準電壓選通電路2 得到DC-DC模塊3的控制信號Uref即第一基準信號Urefl或第二基準信號 Uref2，第一基準信號Urefl小於第二基準信號Uref2，當基準電壓選通電路2接 收到欠壓保護電路1輸出的低電平信號時輸出第一基準信號Urefl，當基準電壓 選通電路2接收到欠壓保護電路1輸出的高電平信號時輸出第二基準信號 Uref2;當基準電壓選通電路2輸出第一基準信號Uref1,採用採樣電路32採集 功率變換器31的輸出電壓即逆變器5的輸入電壓Ud，將採樣的逆變器5的輸入 電壓Ud和第一基準信號Urefl經過電壓環33得到PWM控制信號，將PWM控 制信號經過PWM驅動器34得到功率變換器低電平驅動信號，採用功率變換器 31採集功率變換器低電平驅動信號和接收直流電源4的輸出電壓Uin並根據功 率變換器低電平驅動信號降低功率變換器31的輸出電壓即逆變器5的輸入電壓 Ud;當基準電壓選通電路2輸出第二基準信號Uref2,採用採樣電路32採集功 率變換器31的輸出電壓即逆變器5的輸入電壓Ud，將採樣的逆變器輸入電壓 Ud和第二基準信號Uref2經過電壓環33得到PWM控制信號，將PWM控制信 號經過PWM驅動器34得到功率變換器高電平驅動信號，採用功率變換器31 採集功率變換器高電平驅動信號和接收直流電源的輸出電壓Uin並根據功率變 換器高電平驅動信號提高功率變換器31的輸出電壓即逆變器5的輸入電壓Ud。 在現有逆變器的基礎上，加入輸出電壓欠壓檢測環節和基準電壓選通環節可 以實現保護的功能，選通的基準電流經過DC-DC變換器，可以經過控制環節， 降低DC-DC變換器的輸出電壓。控制信號Uref和輸出的直流電壓採樣信號即 逆變器輸入電壓Ud進行比較，經過電壓環33調節後，產生PWM的控制信號， 控制信號經驅動後，可直接控制功率變換器31中功率管的開通和關斷來調節輸 出電壓，當控制信號Uref發生變化時，通過閉環調節，會使得逆變器輸入電壓 Ud相應的發生改變。當控制信號Uref變小時，輸出電壓的採樣電壓即逆變器輸 入電壓Ud大於控制信號Uref的電壓，通過電壓環的條件，產生的功率變換器低 電平驅動信號關斷功率管，從而使得輸出電壓降低，同樣基準電壓變高時，輸
出電壓會升高。
在欠壓保護電路l中，Vo為交流電壓，經過半波整流並由R,和R2分壓後形 成一個採樣電壓Vi。 R3和R4把第一電源Vccl的電壓分壓後形成欠壓保護的第 一基準電壓Vpl加於第一運算放大器Ui的同相端。在交流電壓Vo處於允許的 正常情況下，第一運算放大器U,的反相端上的採樣電壓W大於第一基準電壓 Vpl，第一運算放大器IA輸出低電平加於第二運算放大器U2的反相輸入端，第 二運算放大器U2的反相輸入端電壓小於同相端的第二基準電壓Vp2，所以第二 運算放大器U2輸出高電平。當短路或者其他原因導致電壓降低，電壓Vo—旦 低於欠壓設定值時，採樣電壓Vi低於第一運算放大器Ui同相端的第一基準電壓 Vpl，第一運算放大器U,將輸出高電平，所以第一電源Vccl通過第五電阻Rs 對第一電容d充電，第一電容Q上電壓達到第二運算放大器U2的同相第二基 準電壓Vp2時，第二運算放大器112輸出低電平，使開關二極體D2導通。充電 時間即欠壓關斷時間由第五電阻Rs和第一電容G的時間常數決定。第一與非門 U3、第二與非門U4構成RS觸發器， 一旦開關二極體D2導通時，欠壓保護電路 l輸出信號為低電平，用此低電平去控制前級基準電壓的輸入，使前級產生低的 輸入基準，降低後級的輸入電壓。第九電阻R9和第三電容C3作為RC充電電路， 設置其時間常數，保證在啟動過程中不會欠壓保護。
由欠壓保護電路1輸出的高低電平信號來選通控制信號Uref，在正常情況下， 欠壓保護電路1輸出信號為高電平信號，輸出的控制信號Uref為第二基基準信 號Uref2，當輸出欠壓時，欠壓保護電路1輸出低電平信號，輸出的控制信號 Uref為第一基基準信號Urefl ，所以，只要設定基準信號Urefl和UreG相應的 值，即可實現電路的功能，其中基準信號Urefl小於Uref2。要使得輸出電壓為 以前的一半，則需使第一基準信號Urefl降為第二基準信號Uref2的一半。
如圖2所示為現有逆變器短路條件下輸入電壓和輸出電流波形。原雙BUCK 逆變器電流滯環控制正常工作時，根據逆變器的工作模態可得到它的開關頻率
A=^^l， Vo為交流電壓，正弦變化；h為逆變器滯環寬度；在輸出短路的 時候，交流電壓很小接近於零，此時開關頻率為/^^，由於輸入電壓Ud比較
大，滯環寬度h較小，開關管的開關頻率比正常時大大提高，加上短路時工作 電流又大，開關管損耗很大嚴重影響運行安全性。
如圖3、圖4所示，為本發明逆變器輸入電壓為360V和180V時的短路運 行仿真結果。從仿真結果可以看出當輸出短路時，降低輸入直流電壓，可以減 小開關頻率，而輸出的短路電流不變。由圖3中可以看出360V時短路的開關周 期為0.836uS。由圖4中可以看出180V時的短路開關周期為1.68uS，近似為360V 條件下的兩倍，滿足電壓比例條件，說明此方案可以有效的減小開關頻率。
權利要求
1.一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法，其特徵在於將逆變器(5)的輸出電壓(Vo)經過半波整流二極體(D1)後由第一電阻(R1)和第二電阻(R2)分壓得到採樣電壓(Vi)，將第一直流電源(Vcc1)經過第三電阻(R3)和第四電阻(R4)分壓得到欠壓保護電路(1)的第一基準電壓(Vp1)，將第一直流電源(Vcc1)經過第六電阻(R6)和第七電阻(R7)分壓得到欠壓保護電路(1)的第二基準電壓(Vp2)，將採樣電壓(Vi)加於第一運算放大器(U1)的反相端，將第一基準電壓(Vp1)加於第一運算放大器(U1)的同相端，將第二基準電壓(Vp2)加於第二運算放大器(U2)的同相端，當採樣電壓(Vi)小於第一基準電壓(Vp1)時第一運算放大器(U1)輸出低電平信號並加於第二運算放大器(U2)的反相端得到第二運算放大器(U2)輸出的低電平信號，採用第二運算放大器(U2)輸出的低電平信號導通開關二極體(D2)，將第二直流電源(Vcc2)經過第八電阻(R8)給RS觸發電路(11)低電平觸發信號，RS觸發電路(11)接收低電平觸發信號後輸出低電平信號即欠壓保護電路(1)輸出低電平信號，當採樣電壓(Vi)大於第一基準電壓(Vp1)時第一運算放大器(U1)輸出高電平信號並加於第二運算放大器(U2)的反相端得到第二運算放大器(U2)輸出的高電平信號，採用第二運算放大器(U2)輸出的高電平信號關斷開關二極體(D2)，將第二直流電源(Vcc2)經過第八電阻(R8)給RS觸發電路(11)高電平觸發信號，RS觸發電路(11)接收高電平觸發信號後輸出高電平信號即欠壓保護電路(1)輸出高電平信號；將欠壓保護電路(1)的高電平信號或低電平信號經過基準電壓選通電路(2)得到DC-DC模塊(3)的控制信號(Uref)即第一基準信號(Uref1)或第二基準信號(Uref2)，第一基準信號(Uref1)小於第二基準信號(Uref2)，當基準電壓選通電路(2)接收到欠壓保護電路(1)輸出的低電平信號時輸出第一基準信號(Uref1)，當基準電壓選通電路(2)接收到欠壓保護電路(1)輸出的高電平信號時輸出第二基準信號(Uref2) 當基準電壓選通電路(2)輸出第一基準信號(Uref1)，採用採樣電路(32)採集功率變換器(31)的輸出電壓即逆變器(5)的輸入電壓(Ud)，將採樣的逆變器(5)的輸入電壓(Ud)和第一基準信號(Uref1)經過電壓環(33)得到PWM控制信號，將PWM控制信號經過PWM驅動器(34)得到功率變換器低電平驅動信號，採用功率變換器(31)採集功率變換器低電平驅動信號和接收直流電源(4)的輸出電壓(Uin)並根據功率變換器低電平驅動信號降低功率變換器(31)的輸出電壓即逆變器(5)的輸入電壓(Ud)；當基準電壓選通電路(2)輸出第二基準信號(Uref2)，採用採樣電路(32)採集功率變換器(31)的輸出電壓即逆變器(5)的輸入電壓(Ud)，將採樣的逆變器輸入電壓(Ud)和第二基準信號(Uref2)經過電壓環(33)得到PWM控制信號，將PWM控制信號經過PWM驅動器(34)得到功率變換器高電平驅動信號，採用功率變換器(31)採集功率變換器高電平驅動信號和接收直流電源的輸出電壓(Uin)並根據功率變換器高電平驅動信號提高功率變換器(31)的輸出電壓即逆變器(5)的輸入電壓(Ud)。
全文摘要
本發明公布了一種提高電流控制型逆變器輸出短路運行可靠性的方法，屬逆變器。本逆變器在現有逆變器的基礎上，加入欠壓保護電路和基準電壓選通電路，逆變器輸出電壓經過欠壓保護電路得到高低電平信號，高低電平信號經過基準電壓選通電路得到控制信號，DC-DC模塊中電壓環採集控制信號和採樣的逆變器輸入電壓輸出PWM控制信號，PWM控制信號經過PWM驅動器得到功率變換器驅動信號，功率變換器採集驅動信號和接收直流電源輸出的直流電壓，功率變換器根據驅動信號調節輸出電壓即逆變器的輸入電壓。本發明開關損耗低，輸出短路時運行安全可靠。
文檔編號H02M1/32GK101355319SQ200810157068
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者劉大剛, 王慧貞, 傑 陳, 龔春英 申請人:南京航空航天大學