两级式逆变器在线效率优化及相关问题研究

This project researches the on-line efficiency optimization method adapting for changing operation environment(input voltage Uin， output voltage Uo，output current Io) for two-stage inverters with a middle DC bus Ub. This method involves system-level and single-switch-level. 1) On the system-level, the research contents include on-line regulating Ub in a range of △Ub3 to optimizing efficiency in a good time and other related problems. a) Researching the technique of spreading the range of △Ub3 in order to spreading the range of optimizing system efficiency, include the controlling method by injecting six-time-frequency ripple to reduce static low-frequency ripple △Ub1 of Ub and the controlling method by adding load-feedforward to suppressing dynamic ripple △Ub2 of Ub. b) Researching （Uin，Ub，output power Po，efficiencyη）modeling method based on support vector machine algorithm. c) Researching efficiency optimizing method by adjusting Ub, and relation between the optimizing controlling loop and other controlling loops. 2) On the single-switch-level, the research content is the current-adapting real-time driver-adjusting method in order to real-time optimizing the switching efficiency. The driving speed rises with the reducing of the switching current under the limiting of the switching-off peak voltage. This can reduce switching losses and improving switching efficiency over the full-load range. These research contributions can also be applied for other two-stage converters with the middle DC bus Ub.

对含中间直流母线电压Ub的两级式逆变器，从系统和单个开关器件层面研究适应工作环境（输入电压Uin， 输出电压Uo，输出电流 Io）变化时的在线优化效率控制方法。包括： 1）从系统层面研究适时在一定范围△Ub3内在线调整Ub优化系统效率的相关问题。 a）为拓宽△Ub3范围，并最终拓宽在线优化系统效率范围，研究在中间直流环节注入6倍频分量降低Ub的稳态低频纹波△Ub1和引入负载干扰前馈降低Ub的动态波动△Ub2的控制方法。 b）研究基于支持向量机的（Uin，Ub，输出功率 Po，效率η）建模方法。 c）研究调整Ub优化效率控制算法，及其与系统其他控制环节和参量的关系。 2）从单个开关器件层面研究电流适应的实时调整驱动电路参数优化器件效率的方法，在器件最大关断电压限制下随开关电流的降低提高器件开关速度，以在全负载范围内降低器件开关损耗提高效率。 所研究成果也可以应用于其他含Ub的两级式变流器

传统的DC/DC+DC/AC两级式逆变器在系统运行过程中，其效率完全由外部条件和固化的硬件设计所决定，无法实现实时的效率优化。本项目从系统和单级电路两个层面研究了其在线效率优化问题及相关问题。.1）提出了一种全桥型和一种半桥型电流可调节的恒流源驱动电路。研究了开关管关断速度与关断电压尖峰、关断电流之间的关系，以及开关管开通速度与开通电流尖峰之间的关系。在此基础上，提出了驱动电流随开关管开通/关断电流反向实时变化的自适应驱动方法，在保证开关管关断电压尖峰/开通电流尖峰的前提下降低了开关管损耗，所研究的电路和方法在半桥逆变电路和Boost电路中得到了验证。.2）提出并实现了低频纹波电压前馈和输出功率前馈两种抑制两级式逆变器中间母线电压Ub的低频纹波的方法。考虑到Ub的低频纹波和输入电流的低频纹波存在此消彼涨的关联，进而提出了电荷平衡与传统控制相结合的控制方法，既降低了Ub的低频纹波电压，又提高了动态响应特性。.3）利用器件datesheet分析了两级式逆变器的损耗与Ub的关系，采用支持向量机结合遗传参数优化建立了逆变器的损耗预测方法。.4）提出并实现了采用变步长扰动观察法实时调节Ub幅值优化两级式逆变器效率的方法，分析了调整幅值与步长的设计方法。最后结合前级电路的功率前馈控制方法，在拓宽了Ub调整范围的基础上，利用调节Ub幅值的效率优化方法获得了装置的最佳效率。.5）提出并实现了多种软开关的直流变换器和逆变器，包含：一种软开关的推挽电路；一种四倍压谐振型推挽直流变换器；一种桥型副边 LLC 谐振直流–直流变换器；一种适合大电流输入高压输出的软开关直流变换器。. 本项目提出的实时调节中间母线电压幅值来优化效率的方法可以广泛应用于各类两级式电力电子装置。提出的开关管电流自适应驱动方法在大功率电力电子装置有较好的应用前景。提出的输入功率前馈法简单实用，能够有效的改善两级式电力电子装置的动态特性。其他电路和方法也有一定的学术价值。