- 頭條如何提升輕載時的逆變器效率？南航學者提出優化方法2021-04-02 作者：郎天辰 杜士祥 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語工作于臨界電流模式的逆變器在輕載時，開關頻率顯著上升，關斷損耗大幅增加，效率明顯降低。針對這一問題，南京航空航天大學自動化學院的研究人員郎天辰、杜士祥、尹浩、胡海兵，在2020年第22期《電工技術學報》上撰文，提出在逆變器輸出功率下降至設定值時，將工作模式切換為斷續電流模式，并根據輸入電壓、輸出電壓、輸出功率改變關斷時間以盡可能降低逆變器的開關頻率，減小開關損耗，從而提升輕載時效率的優化方法。
光伏并網逆變器作為光伏發電系統中最核心的部件，在新能源發電和電能變換等場合具有廣泛的應用。目前，逆變器發展的主要目標是高效率、高功率密度、高可靠性，提高開關頻率可以減小無源器件的體積，進而提高并網逆變器的功率密度，但是這不僅會增加開關損耗，還會帶來較大的電磁干擾。
軟開關技術的應用會大大降低開關損耗，進而有效提高開關頻率，減小逆變器的體積與成本，保證逆變器的高效運行與降低電磁干擾。目前逆變器中的軟開關技術主要包括無源軟開關技術與有源軟開關技術，但都需增加額外的器件與輔助電路來實現，這不僅增加了逆變器的體積與成本，所帶來的控制復雜度也降低了逆變器工作的穩定性。
針對高效率的需求，有學者提出了一種適用于中小功率等級的逆變器上的電感電流臨界連續模式控制策略，通過控制電感電流工作于臨界電流模式，在不增加任何額外器件與輔助電路的基礎上可實現開關管的零電壓開通（ZVS）。但是隨著負載減輕，工作于臨界模式下的逆變器開關頻率均會隨之增大，雖然開關管實現了零電壓開通，開通損耗可忽略不計，但關斷損耗依舊存在，當逆變器工作于輕載時，過高的開關頻率導致關斷損耗加劇，從而大大降低了輕載時的變換效率。
此外，由于需要額外電流實現軟開關，輕載時電流有效值并不會隨負載減輕呈線性下降，這也導致了工作于臨界電流模式下的逆變器輕載工作效率較低，難以實現進一步的效率優化。有學者提出并分析了固定關斷時間的電感電流斷續模式策略，通過損耗分析證明了電感電流斷續模式下的逆變器效率明顯高于電感電流連續模式，但是斷續模式輕載時開關頻率依然會增大，導致過高的開關損耗。
針對上述問題，南京航空航天大學自動化學院的研究人員提出了一種逆變器輕載效率優化方法。實現路徑為：采樣逆變器的輸出電壓和輸出電流，得到實時輸出功率，若實時輸出功率小于預設切換功率，則進入斷續工作模式，并根據輸入電壓、輸出電壓、輸出功率優化關斷時間，在負載減輕時盡可能地增加關斷時間，以降低逆變器的開關頻率與開關損耗，從而提升輕載時的效率。
此外，由于電感電流降至零后由寄生參數參與的諧振會導致電感電流峰值偏離理論值。對此，研究人員通過采樣電感電流與理論電感電流峰值進行比較的方式，保證了開關管關斷時電感電流等于理論峰值。
圖1 兩級式微型逆變器實驗平臺
針對臨界電流模式下逆變器輕載效率較低的問題，研究人員詳細分析了所采用的可變關斷時間電感電流斷續模式的工作原理并推導理論計算依據。他們選擇在輕載時切換為斷續電流模式，對斷續模式下的全橋逆變器工作原理及特性進行了詳細分析與理論推導，并針對輕載條件下關斷時間toff的取值進行設計優化，降低了輕載工作時逆變器的開關頻率及損耗，提升了輕載下的效率。
同時，他們還考慮了電流斷續時電路寄生參數對電感電流的影響，通過比較器硬件限制電感電流峰值的方式，改善輕載電流的質量，并介紹了基于此方式的變換器整機控制策略。此外，針對傳統的通過控制器計算理論導通時間的控制方式，還分析了其導致電感電流出現畸變的根本原因，并通過電感電流采樣與比較器觸發的方式來解決。最后，研究人員制作了一臺300W的實驗樣機，并通過實驗證明，在輕載時可變關斷時間的斷續模式能有效提升逆變器的效率。
以上研究成果發表在2020年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基于可變關斷時間斷續電流模式的全橋逆變器輕載效率優化方法”，作者為郎天辰、杜士祥、尹浩、胡海兵。
