[发明专利]一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法

说明书

本发明公开的一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法，属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。本发明通过使用采样得到的三相逆变器电网电流和电压以及计算出的调制波信息，预测三相逆变器侧电感电流脉动。在每个空间矢量扇区，调节开关频率使得三相逆变器中最难实现软开关的那一相电感电流脉动大小保持在刚好实现软开关的状态，从而减小开关损耗。此时，其中另外一相大部分时间软开关实现较为充分。最后一相在整个扇区里开关状态恒定，无需实现软开关。本发明要解决的技术问题为通过全数字变频控制实现三相逆变器所有开关管宽范围软开关，并减小三相逆变器轻载下的电流脉动和环流损耗，提高三相逆变器的转换效率和功率密度。

技术领域

本发明涉及一种应用于三相电压源型逆变(整流)器的变频控制方法，属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。

背景技术

三相电压源逆变器如今广泛应用于各类工业设备和民用装置中，例如不间断电源(UPS)，电动汽车充电桩以及光伏并网系统等。其最常用的拓扑结构是两电平的三相桥式电路。它结构简单对称，可以实现逆变和整流之间的无缝切换，而且经过长时间的发展，如今控制成熟可靠。然而对于每一个桥臂的上下两个开关管而言，在任何时刻根据其电感电流的流向，只有其中一个开关管可以实现软开通，这使得开关损耗大大增加。在大功率应用中，开关频率不得不设置的很低以降低开关损耗。这样做会提高交流电流畸变率，需要增大滤波器来弥补，不仅降低了逆变器的动态响应速度，而且使得整个系统体积庞大，功率密度降低。

为了降低逆变器的开关损耗，学者提出了不少逆变器软开关的方法包括在直流侧或交流侧每个桥臂增加辅助电路，使得叠加的电流方向可以在每个开关周期改变。在上管开通时，电感电流流入桥臂中点，下管开通时，电感电流流出桥臂中点，即可使上下管都实现软开关。由于采用辅助电路的方法都会增加逆变器的成本和体积，同时会产生额外损耗，因此无需辅助电路的方法更简单可靠高效。

最直接的方法是将逆变器侧电感值设计的很小，增加电流脉动，使之自然实现软开关。但为了避免在不同负载下出现不必要的过大电流脉动，需要使用变频控制减小环流损耗。该方法在单相逆变器中已得到使用，采用电感电流过零检测电路来控制开关管的开通和关断。例如：IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics【电力电子新兴和精选主题期刊】于2016年发表的“Digital-BasedInterleaving Control for GaN-Based MHz CRM Totem-Pole PFC，【基于GaN器件的MHz数字临界电流交错控制图腾柱PFC】采用了电流过零检测的方法实现器件的软开关和变频控制，两个桥臂交错控制可以抵消部分电流脉动，开关频率即使达到MHz，开关损耗也很小。

上述方法可以应用于单相逆变器，然而在三相逆变器中，由于三相电流互相耦合，电流波形受到每个桥臂开关状态的影响，很难保证所有开关管同时都能实现软开关。因此需要采用特别的调制方式，使得同时只有两个桥臂处于高频开关状态，而有一个桥臂保持开关状态恒定。这样只需要考虑处于高频开关的开关管能否实现软开关即可。在IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE)【能量转换博览会】2017年发表的“Critical-mode-based soft-switching modulation for three-phase inverters”，【三相逆变器的临界电流模式开关调制】仍然采用了电流过零检测方法，然而由于三相开关频率要统一，因此需要选择一相使开关频率同步。其调制方式为DPWM(断续空间矢量)，并且依然采用桥臂交错的方式。然而由于数字控制和模拟过零检测电路需要共同使用，增加了复杂性。

发明内容