[发明专利]具有减小的开关频率的电源逆变器

说明书

本发明涉及大功率逆变器，例如在具有大KVA额定值的飞机的变速恒频(VSCF)发电系统中使用的逆变器。

VSCF发电系统用由飞机推力发动机动力输出装置以变速驱动的三相交流发电机作为交流电源，该交流电源经过整流变成直流电源，经过三相逆变器产生三相400Hz交流电流。大功率逆变器通常把15KVA或更高的大KVA额定值作为45/60KVA这样的三相逆变器的要素。这种类型的大功率逆变器需要400Hz交流电流的输出以使得高达50次谐波时总谐波畸变不超出3％-5％的范围，这已经被设定为飞机上产生交流电流的工业标准。

VSCF电源逆变器的控制一直是基于控制电源输出基本频率正弦波的平均值或RMS值而不是正弦波本身品质的传统方法。在这种类型的系统中，在通过读取存储在只读存储器(ROM)中的值来产生的参考波形的控制下，用恒频方波源产生的脉冲的脉宽调制生成每相的理想基本频率。将由每相逆变器切换产生的基本频率经输出LC滤波器进行滤波，使输出电压波形保持为高品质的正弦波形。这种根据基本频率正弦波的RMS值的控制方法称为闭环。但实际上，正弦波的品质和相位并没有得到调节，结果造成了开环控制。这些系统没有将由ROM读出所产生的参考波形和实际输出电源波形相比较来得到一个用于调制脉宽调制器占空比的误差控制电压，从而精确地控制具有低的总谐波畸变的基本频率交流电流的产生。

在VSCF逆变器中，基波的品质得以保持好象负载本质上是无源的，如电阻，电感，电容或者它们的结合。但是，当出现整流器负载或双向三极管开关负载时，由于整流器或双向三极管开关的开关特性引起的功率的非线性，会产生相当数量的谐波。这些非线性负载使基本频率严重畸变，导致总谐波畸变超出3％-5％这一可接受的范围。

因为用作控制参数的输出电压的RMS值在响应非线性负载时相对来说并未改变，所以，现有的VSCF逆变器控制器没有补偿表现在输出电压上由非线性负载造成的畸变。但是对大功率逆变器的控制来说，当允许驱动非线性负载时，需要提供具有总谐波畸变在前面提及的工业标准参数范围内的基本频率的高品质大功率交流电流。

为了快速响应可变电力负载，例如非线性负载，有必要使逆变器中电源开关以大于等于40KHz这样的高速度进行切换。但是目前市场上出售的IGBT这样的最好的大功率固态开关在超过40KHz时不能良好地工作。如果要求高达50次谐波的总谐波畸变在3％-5％的范围内，则有必要减小开关频率以避免高达50次谐波的过量的谐波功率。

已知现有技术中的逆变器控制器控制并响应输出功率的谐波成分。这些现有技术中的控制器分析总谐波成分并改变开关模式以减少谐波成分。这种类型的逆变器控制器改变具有50％占空比的固定频率方波的脉冲宽度以对基本频率进行脉宽调制，并且在响应检测到的谐波时进一步将谐波成分减小到可以接受的范围内。

本发明提供了一种如在VSCF系统中使用的用于产生大功率、具有低的总谐波畸变的逆变器，其中，通过计算参考电压和施加到电力负载的逆变器输出量之间的差值生成的误差控制电压被比较以产生用于调制逆变器中开关切换频率的误差控制电压。在逆变器中，至少一对电源开关的切换频率受到前述误差控制电压的控制，产生以低于现有技术的可变频率流过电力负载的可变宽度的电流脉冲并生成基本频率交流电流。单个脉冲的宽度是由时间间隔定义的，在时间间隔中，误差控制电压不超过在正偏差信号最大值和最小值之间定义的死区。生成的正偏差信号最好是与由逆变器产生的理想基波相同频率的周期信号的绝对值，在参考信号达到最大值时取最小值，在参考信号过零点处达到最大值。而且，具有前述特性的正偏差信号可以优化或任意生成。

为了达到前述3％-5％范围的总谐波畸变的工业标准，正偏差信号的幅度可以由总谐波畸变分析器的输出来控制，该分析器与表现在逆变器输出功率中的总谐波畸变成反比地减小正偏差信号动态变化的幅度。结果，当不期望的谐波成分输出功率增加时，正偏差信号的动态变化被减小，从而减小了总谐波畸变成分。结果，当总的开关频率必须提高时，仍然有可能在正常运行规定极限40KHz以下的频率范围内运行IGBT这样的大功率开关设备，IGBT代表了目前工业上在大功率逆变器中使用的最好的开关设备。