一種組合變換器的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直流-交流變換器的控制方法，具體說是一種低電壓開關(guān)應(yīng)力和低損耗的組合變換器的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽能發(fā)電系統(tǒng)或者燃料電池系統(tǒng)中，由于單塊太陽能電池或者單個(gè)燃料電池提供的都是電壓較低的直流電，不能滿足現(xiàn)有用電設(shè)備的用電需求，也不能滿足并網(wǎng)的要求，因此需要把低電壓直流電轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的高壓直流電。因而高增益、性能穩(wěn)定的升壓變換器成為一個(gè)研宄熱點(diǎn)，該研宄對(duì)推動(dòng)光伏、燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很大的意義。
[0003]此外，在并網(wǎng)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電壓源逆變器輸入直流電壓輸出交流電壓，應(yīng)用非常廣闊。電壓源逆變器的輸入直流電壓可以由電網(wǎng)或旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)經(jīng)整流濾波得到，也可由蓄電池、燃料電池或光伏電池得到，分別對(duì)應(yīng)一般工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合(如變頻器)，電動(dòng)車、可再生能源分布式發(fā)電等場(chǎng)合。在電壓源逆變器中，由于輸入直流電壓的緣故，功率半導(dǎo)體器件總是保持正向偏置，輸入電源一直處于工作狀態(tài)，對(duì)于蓄電池、燃料電池或光伏電池等作為輸入電源降會(huì)導(dǎo)致其自身?yè)p耗增大，影響使用壽命。典型的直流輸入電壓升壓后經(jīng)過逆變成并網(wǎng)電壓的變換器如附圖1所示。
[0004]在一些特定的電機(jī)控制及電能變換的應(yīng)用場(chǎng)合，正是由于存在以上不足，普通的電壓源逆變器恰是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的瓶頸，制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。如在電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流電壓一般由蓄電池或燃料電池電壓決定，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍決定于電池電壓，若電池?fù)p耗過渡，則電池電壓將會(huì)下降，再進(jìn)一步升速，則進(jìn)入恒功率范圍，電池電壓的不足將導(dǎo)致車輛的加速能力將下降，現(xiàn)有技術(shù)中采用串入升壓電路的方式又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁瑣等問題。在光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域中也存在同樣的問題，不在贅述。
[0005]在當(dāng)前全球能源供應(yīng)日益緊張的背景下，降低輸入電源的能耗、提升變換器的工作效率已經(jīng)成為一個(gè)新的關(guān)注點(diǎn)。因此，開發(fā)新型、高效、高可靠的升壓逆變技術(shù)，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
[0006]在直流升壓領(lǐng)域，最基本的升壓變換器是單管Boost變換器，然而這種變換器的升壓范圍十分有限，很難滿足高增益的變換要求，且開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸出電壓。
[0007]目前，改進(jìn)現(xiàn)有的升壓變換器主要有以下幾種:
[0008]第一種是利用變壓器，在原有的直流-直流變換器中間加入一個(gè)高頻的變壓器，通過改變變壓器變比實(shí)現(xiàn)高增益升壓的目的。此時(shí)，電能的轉(zhuǎn)化過程實(shí)際上由原來的直流-直流，變?yōu)橹绷?交流-交流-直流，整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率降低。
[0009]第二種是利用耦合電感，但耦合電感結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于工業(yè)加工，難以保證電路的一致性，并且會(huì)引起開關(guān)器件電壓應(yīng)力過高，帶來電磁干擾等影響，導(dǎo)致變換器工作損耗較大。
[0010]第三種是加入級(jí)聯(lián)升壓?jiǎn)卧瑔卧獢?shù)越多，電壓增益越大，但電路元件數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。
[0011]而在并網(wǎng)逆變領(lǐng)域，降低輸入電源能耗、提升變換器的工作效率研宄較少，主要也是集中在軟開關(guān)方面，主要有兩類:一類是通過附加有源功率開關(guān)和無源電感、電容等器件實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)；另一類是通過附加二極管和無源電感、電容等器件實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)。這兩類方法的雖然可以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，但是外加電路復(fù)雜，而且不能降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對(duì)前述【背景技術(shù)】中的缺陷和不足，提供一種低電壓開關(guān)應(yīng)力的新型、高效、高可靠的升壓逆變組合變換器的控制方法，利用該控制方法可以使組合變換器的損耗低，功率密度高。
[0013]本發(fā)明控制方法基于組合變換器實(shí)現(xiàn)，由具有低電壓開關(guān)應(yīng)力的升壓電路和低損耗的逆變器構(gòu)成的組合變換器的升壓電路包括輸入電源，其產(chǎn)生輸入電壓Vin，開關(guān)元件S1、S2、二極管Dl、D2、電感L、輸入電容Cl、中間電容C2和輸出電容Co。由于開關(guān)器件的特性，開關(guān)元件S1、S2分別具有寄生電容CS1、CS2o具體連接關(guān)系為:輸入電壓Vin的正極連接電感L的一端和輸入電容Cl的負(fù)端，電感L的另一端連接開關(guān)元件SI的集電極、二極管Dl的陽級(jí)，開關(guān)元件SI的發(fā)射極連接開關(guān)元件S2的集電極，開關(guān)元件S2的發(fā)射極連接輸入電壓Vin的負(fù)極，中間電容C2的一端連接二極管Dl的陰極，另一端連接開關(guān)元件SI的發(fā)射極，二極管D2的陽極連接二極管Dl的陰極，二極管D2的陰極連接輸入電容Cl的正端，輸出電容Co的一端連接二極管D2的陰極，輸出電容Co的另一端連接輸入電壓Vin的負(fù)極，并在其兩端產(chǎn)生輸出電壓Vout，開關(guān)元件S1、S2構(gòu)成開關(guān)元件支路，二極管D1、D2構(gòu)成二極管支路，開關(guān)元件支路和二極管支路在同一時(shí)刻不同時(shí)導(dǎo)通；具有低電壓開關(guān)應(yīng)力的升壓電路和低損耗的逆變器構(gòu)成的組合變換器的逆變器包括第一開關(guān)A、第二開關(guān)B、第一功率開關(guān)管M1、第二功率開關(guān)管M2、第三功率開關(guān)管M3、第四功率開關(guān)管M4、第五功率開關(guān)管M5、第六功率開關(guān)管M6、第一二極管D3、第二二極管D4、儲(chǔ)能電容C，第一開關(guān)A的另一端連接第一二極管D3的陰極、第一功率開關(guān)管M i的一端、第二功率開關(guān)管M 2的一端、第三功率開關(guān)管M3的一端，第二開關(guān)B的一端連接第二二極管D 4的陽極、第四功率開關(guān)管M 4的一端、第五功率開關(guān)管M5的一端、第六功率開關(guān)管M 6的一端，第一功率開關(guān)管M 另一端、第二功率開關(guān)管仏的另一端、第三功率開關(guān)管M3的另一端分別連接第四功率開關(guān)管M4的另一端、第五功率開關(guān)管115的另一端、第六功率開關(guān)管M 6的另一端，且各連接點(diǎn)連接三相負(fù)載，如三相交流電機(jī)、三相電網(wǎng)等，儲(chǔ)能電容C的負(fù)極連接第二開關(guān)B的另一端，儲(chǔ)能電容C的正極連接第一二極管的陽極D3和第二二極管04的陰極；升壓電路和逆變器之間的連接關(guān)系為:輸出電容Co的一端連接第一開關(guān)A的一端，輸出電容Co的另一端連接儲(chǔ)能電容C的負(fù)極。
[0014]升壓電路工作第一階段為:開關(guān)元件S1、S2均導(dǎo)通，由開關(guān)元件S1、S2構(gòu)成的開關(guān)支路處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感電流L將流過開關(guān)元件S1、S2，電流從輸入電壓Vin的正極經(jīng)過電感L流向輸入電壓Vin的負(fù)極；不經(jīng)過二極管D1、D2，由二極管D1、D2構(gòu)成的二極管支路處于斷開狀態(tài)；
[0015]電路工作第二階段為:開關(guān)元件SI導(dǎo)通，開關(guān)元件S2關(guān)斷，由于開關(guān)元件S2的關(guān)斷，導(dǎo)致開關(guān)支路處于斷開狀態(tài)，電感電流將通過二極管Dl、D2流向輸入電容Cl和輸出電容Co，二極管支路處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的電容狀態(tài)為中間電容C2和寄生電容Cs2串聯(lián)后與輸出電容Co和二極管D2串聯(lián)支路并聯(lián)；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后中間電容C2和寄生電容Cs2各自的電壓將為輸出電容Co上的輸出電壓的50% ；
[0016]電路工作第三階段為:開關(guān)元件SI關(guān)斷、開關(guān)元件S2關(guān)斷，由于開關(guān)元件S1、S2的關(guān)斷，導(dǎo)致開關(guān)支路仍處于斷開狀態(tài)，電感電流將繼續(xù)通過二極管Dl、D2流向輸入電容Cl和輸出電容Co，二極管支路仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的電容狀態(tài)為(I)中間電容C2和寄生電容Cs2串聯(lián)后與輸出電容Co和二極管D2串聯(lián)支路并聯(lián)；(2)寄生電容Csi與中間電容C2和二極管Dl串聯(lián)支路并聯(lián)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后中間電容C2和寄生電容Cs2各自的電壓將為輸出電容Co上的輸出電壓的50%，寄生電容Csi的電壓為中間電容C2的電壓，也為輸出電容Co上的輸出電壓的50% ；
[0017]電路工作第四階段為:開關(guān)元件SI導(dǎo)通、開關(guān)元件S2關(guān)斷，由于開關(guān)元件S2的關(guān)斷，導(dǎo)致開關(guān)支路仍處于斷開狀態(tài)，假設(shè)該電路電流處于連續(xù)模式，電感電流將繼續(xù)通過二極管D1、D2流向輸入電容Cl和輸出電容Co，二極管支路仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)的電容狀態(tài)為:(1)中間電容C2和寄生電容Cs2串聯(lián)后與輸出電容Co和二極管D2串聯(lián)支路并聯(lián)，(2)寄生電容Csi兩端由于開關(guān)管SI的導(dǎo)通處于短接狀態(tài)；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后中間電容C2和寄生電容Cs2各自的電壓將為輸出電容Co上的輸出電壓的50 %，寄生電容C S1的電壓將被泄放降至O ;
[0018]電路工作第五階段為:開關(guān)元件SI導(dǎo)通、開關(guān)元件S2導(dǎo)通，由于開關(guān)元件S1.S2的導(dǎo)通，導(dǎo)致開關(guān)支路回到導(dǎo)通狀態(tài)，電感電流將流過開關(guān)元件S1、S2，電流從輸入電壓Vin的正極經(jīng)過電感L流向輸入電壓Vin的負(fù)極；由于二極管D1、D2承受反向壓降，二極管支路將變?yōu)樘幱陉P(guān)斷狀態(tài)