如何提升轻载时的逆变器效率？南航学者提出优化方法

第34届世界电动车大会活动专区
工作于临界电流模式的逆变器在轻载时，开关频率显著上升，关断损耗大幅增加，效率明显降低。针对这一问题，南京航空航天大学自动化学院的研究人员郎天辰、杜士祥、尹浩、胡海兵，在2020年第22期《电工技术学报》上撰文，提出在逆变器输出功率下降至设定值时，将工作模式切换为断续电流模式，并根据输入电压、输出电压、输出功率改变关断时间以尽可能降低逆变器的开关频率，减小开关损耗，从而提升轻载时效率的优化方法。
光伏并网逆变器作为光伏发电系统中最核心的部件，在新能源发电和电能变换等场合具有广泛的应用。目前，逆变器发展的主要目标是高效率、高功率密度、高可靠性，提高开关频率可以减小无源器件的体积，进而提高并网逆变器的功率密度，但是这不仅会增加开关损耗，还会带来较大的电磁干扰。
软开关技术的应用会大大降低开关损耗，进而有效提高开关频率，减小逆变器的体积与成本，保证逆变器的高效运行与降低电磁干扰。目前逆变器中的软开关技术主要包括无源软开关技术与有源软开关技术，但都需增加额外的器件与辅助电路来实现，这不仅增加了逆变器的体积与成本，所带来的控制复杂度也降低了逆变器工作的稳定性。
针对高效率的需求，有学者提出了一种适用于中小功率等级的逆变器上的电感电流临界连续模式控制策略，通过控制电感电流工作于临界电流模式，在不增加任何额外器件与辅助电路的基础上可实现开关管的零电压开通（ZVS）。但是随着负载减轻，工作于临界模式下的逆变器开关频率均会随之增大，虽然开关管实现了零电压开通，开通损耗可忽略不计，但关断损耗依旧存在，当逆变器工作于轻载时，过高的开关频率导致关断损耗加剧，从而大大降低了轻载时的变换效率。
此外，由于需要额外电流实现软开关，轻载时电流有效值并不会随负载减轻呈线性下降，这也导致了工作于临界电流模式下的逆变器轻载工作效率较低，难以实现进一步的效率优化。有学者提出并分析了固定关断时间的电感电流断续模式策略，通过损耗分析证明了电感电流断续模式下的逆变器效率明显高于电感电流连续模式，但是断续模式轻载时开关频率依然会增大，导致过高的开关损耗。
针对上述问题，南京航空航天大学自动化学院的研究人员提出了一种逆变器轻载效率优化方法。实现路径为：采样逆变器的输出电压和输出电流，得到实时输出功率，若实时输出功率小于预设切换功率，则进入断续工作模式，并根据输入电压、输出电压、输出功率优化关断时间，在负载减轻时尽可能地增加关断时间，以降低逆变器的开关频率与开关损耗，从而提升轻载时的效率。
此外，由于电感电流降至零后由寄生参数参与的谐振会导致电感电流峰值偏离理论值。对此，研究人员通过采样电感电流与理论电感电流峰值进行比较的方式，保证了开关管关断时电感电流等于理论峰值。
图1  两级式微型逆变器实验平台
针对临界电流模式下逆变器轻载效率较低的问题，研究人员详细分析了所采用的可变关断时间电感电流断续模式的工作原理并推导理论计算依据。他们选择在轻载时切换为断续电流模式，对断续模式下的全桥逆变器工作原理及特性进行了详细分析与理论推导，并针对轻载条件下关断时间toff的取值进行设计优化，降低了轻载工作时逆变器的开关频率及损耗，提升了轻载下的效率。
同时，他们还考虑了电流断续时电路寄生参数对电感电流的影响，通过比较器硬件限制电感电流峰值的方式，改善轻载电流的质量，并介绍了基于此方式的变换器整机控制策略。此外，针对传统的通过控制器计算理论导通时间的控制方式，还分析了其导致电感电流出现畸变的根本原因，并通过电感电流采样与比较器触发的方式来解决。最后，研究人员制作了一台300W的实验样机，并通过实验证明，在轻载时可变关断时间的断续模式能有效提升逆变器的效率。

以上研究成果发表在2020年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于可变关断时间断续电流模式的全桥逆变器轻载效率优化方法”，作者为郎天辰、杜士祥、尹浩、胡海兵。

赞 (0)

相关推荐