新型高效率单相逆变器

李 东 黄怡飞

（南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 401325）

1 引言

逆变器在谐波治理、无功补偿、高压直流输电、电机驱动等领域得到广泛的应用。这些应用领域不仅要求输出功率大，转换效率高，而且要求输出电压电流波形质量良好。但在实际应用中，受功率器件开关损耗的限制，系统只能工作于较低的变换频率，这就影响了电压电流波形质量[1-5]。

为了改善输出电能质量，提高功率等级，目前主要采取以下三种方式[6-12]：①将容量小但开关速度相对较快的器件串联或并联以达到容量和开关速度的要求；②将多台独立的小容量变换器并联使用；③寻求新的主电路拓扑，如采用多电平级联方案和多重化主电路实现大容量的变换器。采用多个器件串并联运行方案的优点在于主电路的基本拓扑不变，系统的控制方式也不变，但存在着器件的均压均流问题，而且器件的串并联运行还将降低系统的可靠性。采用多台小容量变换器并联运行，容易在并联单元之间形成环流，为了协调每个变换器之间的工作情况和控制各单元的功率输出，要针对每个变换器实施均流控制，这样增加了并联运行控制的复杂性，也影响了系统可靠性。多电平结构的逆变器、以及采用共用直流电压源的多重化结构的逆变器，都会使主电路开关数量成倍的增加，电路结构和控制方式的复杂性大大增加，而且由于功率元件的大量增加，不仅增加了系统成本，而且降低了系统的可靠性[13-15]。因此，研究新型的高效率逆变器具有很高的实用意义。

本文提出了一种新型的高效率单相逆变器拓扑结构，该拓扑结构由一个高频半桥单元和一个低频半桥单元级联而成，高频半桥采用电压反馈控制，主要决定输出电压的波形，低频半桥采用电流反馈控制，主要决定输出功率，该拓扑结构可以在保证输出电压波形质量的同时保证逆变器高效运行。仿真结果表明，该拓扑的输出电压波形质量与高频逆变器相类似，而效率却有大幅度提高。

2 工作原理分析

传统的单相半桥逆变器拓扑的两个开关均工作于高频率、大电流的状态下，若需要提高输出的电能质量，就必须提高开关频率，相应地开关损耗就会增大。在传统单相半桥拓扑的基础上，要想提高逆变器的效率，就要减小高频开关的开关损耗，因此采用在普通单相半桥逆变器主电路拓扑基础上增加一个半桥支路，使其工作于低频状态，且跟踪输出电流的大小。此电路有两条支路，且工作在不同的频率下，故称其为双频单相逆变器。

新型高效率逆变器的主电路拓扑结构如图1所示。在 Cd1、Cd2、VT1、VT2、Lf、Cf、R0组成的传统单相半桥逆变器的基础上，新增加了由全控开关器件 VTa1、VTa2组成的半桥及跟踪电感 La，图 2即为该拓扑的平均模型。

图1 新型高效逆变器主电路拓扑结构

图2 新型高效逆变器电路平均模型

由图2可知，使流过新增支路的电流iLa跟踪流过滤波电感 Lf的电流 iLf，从而减小流过 VT1、VT2的电流 is。若使 iLa=iLf，则流过高频开关 VT1、VT2的电流将会很小，同时使 VTa1、VTa2工作在低频状态下，VT1、VT2工作在高频状态下。流过高频开关的电流小，流过低频开关的电流相对大，并保持输出电流不变，则系统整体的开关损耗就会降低，从而提高了系统的效率。

3 控制策略

图1中低频半桥的主要功能是控制逆变器的输出功率，高频半桥则主要用于提高逆变器输出电压电流波形质量，改善系统性能。因此对高频支路采用电压反馈控制，低频支路采用电流跟踪控制。对于高频部分，这里假定：在开关周期内，直流侧输入电压恒定；高频开关频率远大于电网频率。

具体的控制电路如图3所示。由于高频半桥的主要功能是控制波形质量，因此应采用能够消除静态误差的PI调节器进行控制。通过采样逆变器输出电压u0与电压参考信号uref进行比较，经过PI调节器以及限幅，得到的信号与高频三角载波比较从而获得高频半桥的开关控制信号。低频半桥的主要功能是控制逆变器的输出功率，即需使电感La上的电流跟踪Lf上的电流，因此应选择跟踪速度较快的滞环控制。滞环比较器通过设置一定的环宽 H，使得电流在一定的误差范围内快速变化，具有良好的动态性能，由于低频半桥的电流不直接作为逆变器的输出量，因此虽然滞环控制存在一定的误差，但不会影响输出的电能质量。

图3 控制电路

4 仿真验证

为了验证所提出的拓扑及控制方案的可行性及性能，利用 PSIM搭建电路进行仿真验证，具体参数设置如下：

（1）逆变器输出功率Pout=1100W。

（2）输出电压有效值U0=220V，输出电流有效值I0=5A。

（3）直流输入电压Ud=700V。

（4）高频半桥三角载波频率fc=20k，低频半桥滞环宽度H=0.01。

（5）滤波器电感Lf=1.5mH，跟踪电感La=3mH，滤波电容Cf=2.2μF，直流侧稳压电容Ct=474μF。

（6）负载用纯阻性负载代替，R=20Ω。

仿真结果如图 4～6所示，由图4(a)为工作于高频状态下的全桥逆变器输出电压波形，图 4(b)为新拓扑输出电压波形，由两个图对比可以看出，所提出的新拓扑的输出电压波形质量与传统高频逆变电路相近。图5为逆变器输出电流波形，由图可知，输出电流为标准正弦波，电流纹波较小，输出电能质量良好。图6为流过高频半桥的电流波形，可以看出，流过工作于高频状态的开关管的电流很小，因此，尽管开关管工作于高频状态，其开关损耗将会很小，由此提高了逆变器的工作效率。

图4 传统全桥逆变器与新拓扑输出电压对比

图5 逆变器输出电流波形

图6 高频半桥输出电流波形

5 结论

本文提出了一种高效率的单相逆变器拓扑，该拓扑为一类功能分离的双频变换器，其低频变换器主要用于处理输出功率，高频变换器主要用于改善输出电压电流波形质量，用于解决目前高频化开关损耗增加、功率处理能力降低的矛盾。

通过理论分析和仿真结果可知，该拓扑在一定程度上提高了逆变器的效率，输出信号的性能也有所改善。且实现方法比较简单，利用电流跟踪控制，减小流过高频开关的电流，使逆变器工作双频状态下，从而减小高频开关损耗提高了逆变器的效率。

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