[发明专利]一种BCM反激逆变器的多抽头变压器电感分段配置和控制方法

权利要求书

1.一种BCM反激逆变器的多抽头变压器电感分段配置和控制方法，其特征在于：所述分段配置和控制方法在满足如下条件的带变压器的逆变电路中实现：至少设有一个逆变相角信号的来源；至少设有一个变压器，所述变压器带有多个抽头，而且一次侧和二次侧所拥有的抽头数量相等，抽头数量不限，根据所需要分段控制的K个电感值，则在单边侧设有K+1个抽头；一次侧各抽头之间的匝数按总匝数对应的电感值进行划分；二次侧各抽头之间的匝数按一次侧匝数的平方数进行划分；在二次侧还连接有改变逆变波形的H4桥；

所述BCM反激逆变器的多抽头变压器电感分段配置和控制方法，通过将不同匝数对应的抽头接入半导体开关，通过控制器对其通断进行控制，一次只接通一对开关，连接变压器与变换器的前后级，实现电感值的步进变化；包括如下步骤：

一、电感分配与变压器匝数分配：

1)推导反激BCM逆变器开关频率与电感的关系：

当一次侧开关管导通时，由KVL推出反激逆变器变压器一次侧的电流与电压的关系如下式(1)所示：

其中，u_L为折算到一次侧的电感电压，u_L≈V_dc，V_dc为逆变输入电压，L为折算到一次侧的变压器电感值，i_p为变压器一次侧电流/输入侧电流；故一次侧电流上升的斜率如式(2)所示：

由于BCM反激逆变器的工作方式是使一次侧电流的包络线呈正弦规律变化的，故通过正弦变化参考电流i_ref和i_p的比较、i_Ls和0A的比较来控制开关通断，i_Ls为二次侧电流；当i_Ls≤0A时，一次侧开关导通；当i_pi_ref时，一次侧开关关断，故一次侧开关开通时间T_ON如式(3)所示：

联立(2)和(3)，得到如下计算T_ON的公式：

开关管关断时，忽略二极管压降，变压器二次侧的电感电压u_Ls计算如公式(5)，由于逆变输出的负半周电压是由H桥控制将u_Ls翻转后得到的，故u_Ls≥0；

其中，V_ac为交流侧电压，其值为V_AC*sin(ωt)，V_AC为交流侧并网电压峰值，ω为角频率；定义变压器变比N_p为变压器一次侧匝数，N_s为变压器二次侧匝数，变压器两侧的电感量分别为L和L/n²，故由(1)(5)可得式(6)：

由此推出(7)，即为一次侧开关管关断时所需时间T_OFF；

BCM变换器工作的开关频率T_sw可以由(3)(7)表示为式(8)：

由(8)可知，随着相角趋于正弦中心，开关频率是逐渐增大的，当逆变工作于过正弦零点位置时，开关频率达到最大，最大开关频率计算如式(9)所示：

在输入电压和参考电流稳定时，一次侧电流斜率不变，二次侧电流的下降时间不变，开关占空比连续变化；

2)变压器电感的影响参数推导：

通过控制变压器的电感，使其在中心位置处电感值L降低，从而缩短一次侧电流上升时间，如此便可以控制BCM的开关周期，使开关频率变化量更小，降低输出电流的THD，变压器电感值的定义式如下所示：

其中ζ为变压器磁芯的等效磁路长度，单位m，A为变压器的有效截面积，单位为m²，N为线圈匝数，μ为磁导率，单位为NA^-2，μ的值取决于不同材料的磁滞回线，而磁滞回线上的工作点由式(12)表示，其中磁场强度H的大小由磁芯电流I确定，在变压器磁芯的匝数N不变时，μ由变压器的电流I决定，故(10)又可以写成(11)的形式，此时可知变压器的电感值L完全由磁芯的工作电流I确定；

其中B为变压器的磁感应强度；

以式(11)和(12)为基础，不通过控制μ来控制电感L的变化，而是通过改变变压器接入电路中的匝数N来控制电感值，以此来控制开关频率，同时改变变压器接入电路的一次侧匝数N_p和二次侧匝数N_s，并保持变比n不改变，控制可变电感值满足式(13)，其中L₀为初始电感值：

控制匝数N变化，使其中联立式(8)，得到式(14)：

3)正弦输出周期的分段：

将正弦半波的前90°进行K分段，分为K个不同的电感值区间，将第一个电感值区间(0,θ₁]的最大开关周期θ₁处的T作为参考周期T_ref，限制整个工况的开关周期上限值，即最小开关频率，设定第一个电感值区间的电感为L₁，整个正弦输出周期钟最大开关周期被限制在T_ref；

4)计算各个相角位置所需要的电感值：

令其它分段区域的最大开关周期等于参考周期，使在其它的θ_i处的开关周期等于参考周期；如式(15)(16)所示：

通过改变电感值，使工作在相角为θ₁、θ₂、θ₃、...、θ_i处的电感值都相同，计算各分段区域电感的公式如下所示：

5)计算变压器各个抽头对应的匝数：

当合适的L_i都分段好之后，可以通过式(13)推算匝数N的值，计算公式如下：

变压器匝数和对应抽头的分配在开始变压器结构设计之前计算完成；

二、控制方法：

正弦半波的(90°,180°]范围与(0°,90°]范围关于90°位置中心对称，由于BCM逆变输出为正弦半波电流，改变逆变波形的方向由H4桥处理，故相角(180°,360°]处的控制方法与(0°,180°]完全一致；包括如下步骤：

1)检测来自于锁相环的输出相角，记为λ；

2)相角λ对Π求余，得到半周期相角值λ_hf；

3)如果半周期相角值λ_hf小于90°，说明工作于电感递减区间，否则工作于电感递增区间；

4)若二次侧电流降低为0，半周期相角λ_hf在对应分段区域时，即λnλ_hfλ_m+1时，关断其它开关，仅打开第m+1对开关。