一種Buck／Boost單級逆變器的研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
逆變技術是一種重要的電能變換技術，它廣泛地應用于不間斷電源(UPS)、有源濾波、電機驅動以及新能源發(fā)電等各類重要的工業(yè)場合。傳統(tǒng)的逆變器拓撲，包括半橋、全橋、推挽等都是從基本的Buck電路延伸而來的，這里將它們統(tǒng)稱為Buck型逆變器。Buck型逆變器的一個顯著特點就是任一時刻的輸出電壓必須低于直流側母線電壓，即它只能實現(xiàn)降壓逆變。因此，對于要求輸出電壓峰值大于直流側母線電壓的應用場合就必須在逆變器的輸入側增加一級DC／DC升壓變換器，將直流電壓升壓到逆變器所要求的輸入電壓；或者在逆變器的輸出側增加一個升壓變壓器，將輸出正弦電壓升壓到所需要的輸出電壓。這兩種解決方案相對于只需實現(xiàn)降壓逆變的單級逆變器，增加了系統(tǒng)的體積、重量和復雜性。因此，如果有一種在直流側母線電壓低于輸出電壓峰值時也能實現(xiàn)逆變功能的單級逆變器，即單級可升壓逆變器，將是令人向往的。
參考文獻提出了一種單級可升壓逆變器，它由兩個Buck／Boost電路在輸入端并聯(lián)輸出端串聯(lián)構成。這種電路很好地實現(xiàn)了升壓逆變的功能，但是由于電路中存在著很大的環(huán)流，器件的電流應力很大。
本文提出了另一種單級可升壓逆變器，它由兩個Buck／Boost電路在輸入端串聯(lián)輸出端并聯(lián)構成。由于電路采用半周期運行模式，主電路中不存在環(huán)流。本文詳細分析了其工作原理和控制策略，并進行了仿真和實驗。結果表明Buck／Boost單級逆變器成功地實現(xiàn)了單級升壓逆變。
1 電路拓撲及模態(tài)分析
1．1 電路拓撲
Buck／Boost單級逆變器的電路拓撲如圖1所示。它由兩路Buck／Boost變換器組成。兩路Buck／Boost電路分別是：由開關管S1、S2，二極管D1、D2，電感L1和電容C1組成的第一Buck／Boost電路；由開關管S3、S4，二極管D3、D4，電感L2和電容C2組
成的第二Buck／Boost電路。兩路Buck／Boost電路在輸入端串聯(lián)，在輸出端并聯(lián)。需要指出的是這里的Buck／Boost電路中增加了二極管D1、D3，開關管S2、S4。增加D1、D3是為了防止續(xù)流管工作時開關管S1、S3的體二極管導通而將輸出電壓箝位在輸入電壓。增加S2、S4的作用則是控制二極管D2、D4分別只為電感L1、L2提供續(xù)流回路。否則二極管D2會在輸出電壓為正時一直導通對電感L1進行充電，二極管D4會在輸出電壓為負時一直導通對電感L2進行充電。
1．2 模態(tài)分析
Buck／Boost單級逆變器運行于半周期模式。所謂半周期模式是指單個DC／DC基本電路單元只在一半的輸出電流周期內工作，而整個組合電路在一個周期內輸出一個完整的正弦交流電。半周期模式是一種無環(huán)流的運行模式，有利于降低器件的電流應力和減小損耗。
為方便說明先做如下假設：電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)；所有功率電子器件均為理想器件；電感、電容為理想儲能元件；電感L1=L2；輸入電壓恒定，且輸入分壓電容均壓。由于Buck／Boost電路的輸入輸出反極性，所以在輸出電流大于零的正半周，第二Buck／Boost電路工作，第一Buck／Boost電路不工作。此時電路包括兩個工作模態(tài)：
1．1．1 工作模態(tài)I
如圖2(a)所示，功率開關管S3開通，電感L2的電流iL2線性上升。此時續(xù)流二極管D4承受反壓截止，續(xù)流支路S4、D4無電流流過，負載由輸出電容供電。電路方程為
1．1．2 工作模態(tài)II
如圖2(b)所示，功率開關管S3關斷，電感電流iL2從續(xù)流支路S4、D4續(xù)流，給電容和負載供電，線性下降。電路方程為
設S3的導通時間為DT，那么續(xù)流支路的續(xù)流時間為(1-D)T。則式(1)和式(2)可化為
穩(wěn)態(tài)時電感電流紋波保持不變，由此可得
在輸出電流小于零的負半周，第一Buck／Boost電路工作，第二Buck／Boost電路不工作。
1．1．3 工作模態(tài)III
如圖2(c)所示，功率開關管S1開通，電感，L1的電流iL1線性上升。此時續(xù)流二極管D2承受反壓截止，續(xù)流支路S2、D2無電流流過，負載由輸出電容供電。電路方程為
1．1．4 工作模態(tài)IV
如圖2(d)所示，功率開關管S1關斷，電感電流iL1從續(xù)流支路S2、D2續(xù)流，給電容和負載供電，線性下降。電路方程為
同理設S1的導通時間為D′T，續(xù)流支路的續(xù)流時間為(1-D′)T，可得穩(wěn)態(tài)時輸入輸出電壓增益為
由式(6)和式(9)可知，穩(wěn)態(tài)工作時，兩組電路的輸入輸出電壓增益是相同的，又共有一個輸出電壓Uo，所以有D=D′。因此，穩(wěn)態(tài)時應保證兩組電路的占空比大小相等。
2 Buck／Boost逆變器的控制方案
電流瞬時值控制技術由于輸出電壓波形質量好，控制簡單及動態(tài)響應快等優(yōu)點得到了廣泛的應用。電流瞬時值控制技術主要有滯環(huán)電流瞬時值控制和固定開關頻率電流瞬時值控制。由于采用固定開關頻率電流瞬時值控制的逆變器，濾波器的選擇比較容易，而且外特性也較好。因此，Buck／Boost逆變器采用固定開關頻率的電流瞬時值控制技術。它的基本思想是：電壓基準和反饋電壓的誤差經(jīng)電壓調節(jié)器后作為電流基準，電流基準和反饋電流的誤差經(jīng)比例放大與三角載波進行交截，得到正弦脈寬調制(SPWM)信號來控制器件的導通和關斷，以保證輸出電壓穩(wěn)定。
結合采用半周期運行模式所需要的控制邏輯，可以得到如圖3所示的控制框圖。
3 仿真分析與實驗驗證
運用Saber軟件對Buck／Boost單極逆變器進行仿真。參數(shù)為：電感L1=L2=200μH，Cf=35μF，輸入電壓Uin=70V，輸出電壓uo=100sinωt，額定輸出功率Po=260W，輸出頻率fo=50Hz，開關頻率fs=50kHz。圖4給出了仿真的關鍵波形。圖4(a)表明Buck／Boost單極逆變器實現(xiàn)了升壓逆變，圖4(b)表明電感電流在合理的范圍之內，這是由于電路運行在半周期模式，不存在環(huán)流。
為了進一步驗證Buck／Boost單極逆變器的實際性能，制作了一臺原理樣機。參數(shù)與仿真參數(shù)相同。表1給出了在輸人電壓Uin=70V，帶不同負載時的實驗數(shù)據(jù)。從表1可以看出，當輸入電壓相同時，隨著負載的變化，輸出電壓有所上升，但THD變小。這說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不夠理想，這是因為Buck／Boost變換器是具有右半平面零點的非最小相位系統(tǒng)，而非最小相位系統(tǒng)不易用線性的方法進行控制。
圖5為滿載時輸入電壓Uin輸出電壓uo，上橋臂中點電壓ub1和電感電流iL=(iL=iL1+iL2)的實驗波形?？梢妼嶒灲Y果和仿真基本上是一致的。
4 結語
研究了一種Buck／Boost單極逆變器，詳細分析了其工作原理，并給出了采用固定開關頻率電流瞬時值控制時的實現(xiàn)方案。由于Buck／Boost單級逆變器運行于半周期模式，電路中不存在環(huán)流，這有利于降低器件的電流應力和提高效率。對Buck／Boost單極逆變器進行了仿真和實驗，結果表明Buck／Boost單極逆變器成功實現(xiàn)了升壓逆變的功能。
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