中心議題：
- 逆變器的輸入特性研究
- 逆變器輸入電流對與其連接的直流電源的影響
解決方案：
- 在逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器
1 概述
隨著各種各樣的逆變電源的應(yīng)用越來越廣泛，對逆變器的研究也日益深入。目前，應(yīng)用最多的為輸出工頻220V的逆變器，它廣泛應(yīng)用在各種不間斷電源(UPS)、小型太陽能逆變電源及通訊用逆變電源中。
現(xiàn)在的逆變器一般都帶有前級DC/DC變換器，原因包括以下幾個(gè)方面：
(1)為了達(dá)到交流220V的輸出，逆變器直流側(cè)輸入電壓幅值至少為315V。除很少數(shù)情況外，一般逆變電源的輸入電壓都遠(yuǎn)低于此值。這樣，為了達(dá)到輸入輸出電壓的匹配，增加一級DC/DC升壓電路。
(2)一般電源都要求輸入輸出電氣隔離。一種方法是在交流輸出側(cè)采用工頻變壓器隔離，但這樣做增加了電源本身的體積和成本。另一種方法就是增加一級DC/DC隔離變換器。由于采用高頻隔離，大大降低了電源的體積和成本。
(3)大多數(shù)逆變電源的輸入為交流電網(wǎng)。如果采用直接整流濾波的方式，輸入功率因數(shù)很低。為了提高輸入功率因數(shù)，逆變器前級需要增加功率因數(shù)校正電路。
(4)在一些對輸出電壓質(zhì)量要求不是太高的的場合，如家用太陽能、風(fēng)能逆變電源，為了降低成本，提高可靠性，逆變器本身采用開環(huán)控制。為了達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的，要求逆變器的輸入電壓是非常穩(wěn)定的直流電壓。這樣，逆變器前級必須是閉環(huán)控制的DC/DC穩(wěn)壓變換器。
對于直流變換器來說，逆變器是一個(gè)特殊的非線性負(fù)載，它直接影響前級DC/DC變換器的穩(wěn)壓效果。反過來，又進(jìn)一步影響到逆變器的交流輸出效果。本文針對所研制的小型太陽能、風(fēng)能逆變電源，研究了兩級變換器連接中存在的問題，提出了一種實(shí)用的解決方法。
2 逆變器的輸入特性研究
典型的逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1典型逆變器電路結(jié)構(gòu)
為了減小輸出諧波，逆變器一般都采用雙極性SPWM調(diào)制，即逆變橋的對管是互補(bǔ)高頻開通和關(guān)斷的。由于后級濾波電感Lf存在，電感電流為輸出低頻交流電，每半個(gè)周波內(nèi)電感電流iL方向保持不變。這樣就造成逆變橋輸入電流為高頻交變電流，具體如下：當(dāng)iL為正時(shí)，S2、S3導(dǎo)通輸入電流iin為正，S1、S4導(dǎo)通輸入電流iin為負(fù)；當(dāng)iL為負(fù)時(shí)，S2、S3導(dǎo)通輸入電流iin為負(fù)，S1、S4導(dǎo)通輸入電流iin為正。各電流波形與驅(qū)動(dòng)脈沖的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。
(a)輸出電感電流 (b)SPWM波 (c)輸入電流
圖2逆變器輸入輸出電流與驅(qū)動(dòng)脈沖對應(yīng)圖
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由圖2可見，逆變器輸入電流并不是真正的直流電流，除直流成分外，還含有很大成分的兩倍輸出頻率的交流分量和少量的高頻交流分量。如果將DC/DC變換器的輸出直接與逆變器相連，則逆變器的這種輸入電流的低頻和高頻交流成分必然會(huì)對變換器造成一定的影響：低頻交流分量相當(dāng)于直流變換器在始終突加減載，使其一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中；高頻交流分量則直接對直流變換器的控制電路造成干擾，影響變換器的正常工作。其結(jié)果是造成DC/DC變換器工作不穩(wěn)定，噪聲加重，輸出紋波變大，甚至造成電源不能穩(wěn)壓。
為了減小逆變器輸入電流對直流電源的影響，可以有以下幾種方法：
(1)逆變器采用一個(gè)橋臂低頻開關(guān)，另一個(gè)橋臂高頻調(diào)制的方式。這樣，當(dāng)高頻開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流通過低頻導(dǎo)通管和對應(yīng)橋臂的反并聯(lián)二級管續(xù)流，電流不會(huì)反向流回輸入側(cè)。當(dāng)輸出為純阻性負(fù)載時(shí)，完全沒有負(fù)電流流進(jìn)輸入側(cè)，從而減小了輸入電流的高頻交流分量。一方面，這種方法只能在一定程度上減小逆變器對直流電源的影響，且僅適合于逆變器負(fù)載為阻性的情況。當(dāng)逆變器帶感性或容性負(fù)載時(shí)，由于輸出電壓電流相位不一致，仍然會(huì)有負(fù)電流流入輸入側(cè)。另一方面，這種調(diào)制方式的輸出諧波增大，從而加大了后級濾波電路的體積和重量。因此，該方法的實(shí)用性不大。
(2)逆變器輸入側(cè)并聯(lián)一個(gè)大的電解電容和一個(gè)小的高頻無感電容。大電解電容可以在一定程度上減小輸入電流中的低頻交流成分，小無感電容可以很好地濾除輸入電流中的高頻交流成分。但是，直流電源輸出端一般為LC濾波器，逆變器輸入側(cè)并聯(lián)電容相當(dāng)于增加了直流電源的輸出濾波電容，從而改變了其電路參數(shù)。當(dāng)直流電源的控制穩(wěn)定域不夠大時(shí)，有可能使直流電源進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)域而引起振蕩。
(3)逆變器輸入側(cè)串聯(lián)一LC濾波器。這樣，就可以很好地濾除輸入電流中的低頻交流成分，并可完全消除其中的高頻交流成分。同時(shí)，由于濾波電感的存在，減小了逆變器輸入對直流電源輸出參數(shù)的影響。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文針對逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器的方法，在所研制的小型太陽能、風(fēng)能逆變電源上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，選用不同L、C參數(shù)時(shí)DC/DC變換器輸出電流、驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出電壓波形如圖3所示。
圖3(a)(b)(c)(d)示出了不同L、C參數(shù)時(shí)直流電源的控制脈沖和輸出電流。其中(a)為沒有LC濾波電路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，(b)的濾波參數(shù)為L=2mH、C=1100μF，(c)的濾波參數(shù)為L=2mH、C=2200μF，(d)的波波參數(shù)為L=2mH、C=3300μF。由圖可見，當(dāng)逆變器輸入側(cè)不加LC濾波器時(shí)，直流電源輸出電流大范圍波動(dòng)，造成控制脈沖時(shí)有時(shí)無。其結(jié)果是系統(tǒng)噪聲變大，整機(jī)效率下降，可靠性降低。隨著LC濾波參數(shù)的加大，逆變器輸入電流的波動(dòng)逐漸減小，控制脈沖逐漸變得連續(xù)，系統(tǒng)噪音變小，效率變高。為了保證逆變器輸入電壓的穩(wěn)定，濾波電感不宜加的太大，增大濾波參數(shù)適宜加大濾波電容。
圖3(e)(f)示出了沒有LC濾波電路及有LC濾波電路時(shí)直流電源輸出電流和輸出電壓波形。(e)為沒有LC濾波電路的情況，(f)為L=2mH、C=3300μF的情況。由圖可見，不加LC濾波時(shí)，輸出電壓紋波很大，已經(jīng)不能滿足輸出穩(wěn)壓的要求。當(dāng)加入LC濾波時(shí)，輸出電壓紋波大大減小，成為穩(wěn)定的直流電源。
圖3 DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)脈沖、輸出電流及電壓波形對應(yīng)圖
當(dāng)然，L、C參數(shù)如何選取還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況而定，包括直流電源對輸出電流波動(dòng)的承受能力及系統(tǒng)成本。
4 結(jié)語
本文分析了逆變器輸入側(cè)電流情況，闡述了逆變器輸入電流對與其連接的直流電源可能造成的影響，提出了在逆變器輸入側(cè)串聯(lián)LC濾波器的解決方法。在本文所研制的小型太陽能、風(fēng)能逆變電源上的實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以很好地解決逆變器對DC/DC變換器的影響問題。
