采用BoostPWMDC/DC變換器的正弦波逆變器

4.5 電壓跟蹤控制法

Boost逆變器采用電壓跟蹤的原理電路如圖9所示?？刂齐娐防脺h(huán)比較的方式，使Boost逆變器的輸出電壓，快速不停地跟蹤一個(gè)基準(zhǔn)正弦波電壓，即利用逆變器的左臂跟蹤正半周電壓，右臂跟蹤負(fù)半周電壓，兩臂輪流跟蹤就能夠得到一個(gè)完整的正弦波電壓。

圖9 Boost逆變器采用電壓跟蹤控制的原理電路框圖

基準(zhǔn)正弦波電壓，是由控制電路中的基準(zhǔn)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的，為了控制左右臂變換器輪流跟蹤，還需要一個(gè)與基準(zhǔn)正弦波電壓同相位的方波電壓，用此方波電壓的正負(fù)半周來(lái)切換左右兩臂變換器的跟蹤。

逆變器各臂的功率輸出，首先是利用Boost高速開(kāi)關(guān)把直流電能變換成電感能，然后再把電感能轉(zhuǎn)移到濾波儲(chǔ)能電容C₁（或C₂）和負(fù)載上。

電感能向電容C₁（或C₂）和負(fù)載的轉(zhuǎn)移如式（9）

(9)

式中：i_L為流過(guò)L₁（或L₂）的電流；

U_C為C₁（或C₂）上的電壓；

P為負(fù)載消耗的功率瞬時(shí)值；

Δt為轉(zhuǎn)移周期。

在時(shí)間Δt如果引起電感電流的變化為Δi_L,電容電壓U_C的變化為ΔU，則式（9）可以改寫(xiě)成

LΔi_L²=CΔU²＋PΔt

（10）

能量轉(zhuǎn)移與跟蹤過(guò)程如圖10所示。圖中t₁～t₂為電感儲(chǔ)能時(shí)間，t₂～t₃為已跟蹤到基準(zhǔn)正弦波電壓的時(shí)間，t₃～t₄為電感慣性移能到i_L=0的時(shí)間，t₄～t₅為能量消耗與回收時(shí)間；t₅～t₆為電感重新儲(chǔ)能時(shí)間。t₄～t₅期間電壓下降速度決定t₅～t₆期間電感儲(chǔ)存的能量。假設(shè)因某種原因使輸出電壓在t₆～t′₇期間未跟蹤上基準(zhǔn)正弦波電壓，則t′₇～t₈期間緊接電感儲(chǔ)能，力圖在t₈～t₉期間跟蹤上基準(zhǔn)正弦波電壓。在正弦波的上升沿，因?yàn)V波儲(chǔ)能電容需要充電，故移能頻率高，在正弦波下降沿因電容需要放電，故移能頻率低。跟蹤精度與圖10中滯環(huán)寬度ΔU有關(guān)，ΔU小跟蹤精度高，跟蹤頻率亦高，效率減??；ΔU大跟蹤精度低，跟蹤頻率亦低，但效率高。

圖10 能量轉(zhuǎn)移與跟蹤過(guò)程示意圖

5 應(yīng)用實(shí)例

一臺(tái)已被實(shí)際應(yīng)用的，采用電壓跟蹤控制法的Boost逆變器電路如圖11所示。容量為300VA，輸入直流電壓U_S=24V，輸出交流電壓U_L=220V，頻率為50Hz。開(kāi)關(guān)器件S₁～S₄采用的是10A/400V功率MOSFET。

圖11 采用電壓跟蹤控制的Boost逆變器電路

在控制電路中，其準(zhǔn)正弦波是由時(shí)基電路IC₂產(chǎn)生的。IC₂的腳2腳6產(chǎn)生含有U_C/2直流分量的50Hz三角波，此波經(jīng)390kΩ電阻與0.01μF電容的RC低通濾波后，得到含有6V直流分量的50Hz正弦波6＋2sinωt，此波作為左右臂跟蹤用的基準(zhǔn)正弦波?？刂谱笥冶圯斄鞴ぷ鞯姆讲?，采用IC₂的腳2腳6三角波與UC電源電壓中點(diǎn)，在IC₄進(jìn)行比較產(chǎn)生。用此方波控制IC₁,IC₃的腳4來(lái)切換左右兩臂輪流工作。以右臂為例，S₂控制電感能向電容和負(fù)載轉(zhuǎn)換，而S₂又受IC₃時(shí)基電路的控制，只有當(dāng)腳4輸出U₄>1V的高電平時(shí)才使S₂具有開(kāi)關(guān)功能。S₂的開(kāi)通受腳3的輸出控制。這樣，當(dāng)同相位方波為低電平時(shí)，IC₃不能置零復(fù)位，才允許S₂工作，如果此時(shí)腳3輸出高電位，則S₂開(kāi)通，腳3輸出低電位，S₂關(guān)斷。

由式（10）可知，ΔU與負(fù)載的大小有關(guān)，p↑,ΔU↓；p↓，ΔU↑。為了保證ΔU跟蹤基準(zhǔn)正弦波電壓的精度，需要根據(jù)負(fù)載大小隨時(shí)調(diào)節(jié)iL，使ΔU與負(fù)載無(wú)關(guān)。調(diào)節(jié)的最好辦法是用臨界飽和控制電路。對(duì)于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，在臨界飽和狀態(tài)柵壓與i_L成正比，故可以利用開(kāi)關(guān)管的柵壓來(lái)間接地控制i_L。在圖11中用2個(gè)三級(jí)管組成的間接測(cè)量保持電路，只要開(kāi)關(guān)管的端電壓大于飽和電壓，此電路就使柵壓升高，反之使柵壓降低。IC₃是具有延滯特性的兩態(tài)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)IC₃的腳2腳6電壓在U₅/2～U₅(U₅為IC₃的腳5電壓)變化時(shí)，腳3是施密特躍變，即柵壓U₂，6>U₅時(shí)，S₂截止，當(dāng)U_2，6U₅/2時(shí)，S₂導(dǎo)通。故在躍變過(guò)程中U₅/2～U₅的大小就反映了所控制的i_L,而U₅又受控于負(fù)載的大小，這是因?yàn)樵?i>L₂重新儲(chǔ)能的時(shí)候，輸出由儲(chǔ)能電容C₂獨(dú)立供電給負(fù)載。檢測(cè)支路中的光耦發(fā)光二極管G₆通過(guò)的電流i_J的大小，就反映了負(fù)載的大小，而其感光管G′₆使U₅隨負(fù)載的大小而變，以決定電感儲(chǔ)能應(yīng)達(dá)到的i_L值。

使電感能向電容C₂和負(fù)載轉(zhuǎn)移的時(shí)間大約為10μs，在轉(zhuǎn)移期間如果不到10μs就使輸出電壓大于基準(zhǔn)正弦波電壓，則G₃發(fā)光使S₄預(yù)開(kāi)，同時(shí)通過(guò)腳4控制使IC₃重復(fù)，U₅仍保持低電平以防止10μs之后U₅躍為高電平，慣性使ΔU繼續(xù)增長(zhǎng)，直到i_L=0之后。C₂和負(fù)載上過(guò)剩的能量通過(guò)S₄，L₂向U_S（蓄電池）充電回收能量，輸出電壓圖10能量轉(zhuǎn)移與跟蹤過(guò)程示意圖下降直到低于基準(zhǔn)正弦波電壓，S₂關(guān)斷，D₃續(xù)流，電池吸收L₂的全部反向儲(chǔ)能。如此經(jīng)過(guò)10ms使右臂輸出一個(gè)正弦半波，而后再切換到左臂開(kāi)始另半個(gè)周期正弦波的跟蹤。

逆變器的性能增標(biāo)如下：

重量≤80g，體積和復(fù)讀機(jī)一樣大；

功率300VA；

效率>90％；

輸出電壓正弦波失真度3％；

空載電流20mA；

具有過(guò)載及短路保護(hù)；

輸出電壓220V，可調(diào)。

6 結(jié)語(yǔ)

Boost逆變器是一種可以升壓的新型逆變器，傳統(tǒng)逆變器的控制方式幾乎都可以在這種逆變器中應(yīng)用，但以SPWM控制方式、滑?？刂品绞胶碗妷焊櫩刂品绞綉?yīng)用較多。這種逆變器可以用于UPS電源和交流異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以減小體積重量，提高電源性能。