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(shù)是一種重要的電能變換技術(shù)，它廣泛地應(yīng)用于不間斷電源(UPS)、有源濾波、電機(jī)驅(qū)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?fù)?，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(cè)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(cè)母線電壓的應(yīng)用場合就必須在逆變器的輸入側(cè)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(cè)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(fù)雜性。因此，如果有一種在直流側(cè)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(xiàn)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(gòu)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(yīng)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(gòu)成。由于電路采用半周期運(yùn)行模式，主電路中不存在環(huán)流。本文詳細(xì)分析了其工作原理和控制策略，并進(jìn)行了仿真和實驗。結(jié)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?fù)浼澳B(tài)分析
1．1 電路拓?fù)?BR> Buck／Boost單級逆變器的電路拓?fù)淙鐖D1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(guān)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(guān)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(guān)管S2、S4。增加D1、D3是為了防止續(xù)流管工作時開關(guān)管S1、S3的體二極管導(dǎo)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(dǎo)通對電感L1進(jìn)行充電，二極管D4會在輸出電壓為負(fù)時一直導(dǎo)通對電感L2進(jìn)行充電。
1．2 模態(tài)分析
Buck／Boost單級逆變器運(yùn)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(nèi)工作，而整個組合電路在一個周期內(nèi)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(yùn)行模式，有利于降低器件的電流應(yīng)力和減小損耗。
為方便說明先做如下假設(shè)：電路已經(jīng)進(jìn)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(guān)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(fù)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(guān)管S3關(guān)斷，電感電流iL2從續(xù)流支路S4、D4續(xù)流，給電容和負(fù)載供電，線性下降。電路方程為
設(shè)S3的導(dǎo)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(fù)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(guān)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(fù)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(guān)管S1關(guān)斷，電感電流iL1從續(xù)流支路S2、D2續(xù)流，給電容和負(fù)載供電，線性下降。電路方程為
同理設(shè)S1的導(dǎo)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(yīng)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(shù)由于輸出電壓波形質(zhì)量好，控制簡單及動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。電流瞬時值控制技術(shù)主要有滯環(huán)電流瞬時值控制和固定開關(guān)頻率電流瞬時值控制。由于采用固定開關(guān)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(guān)頻率的電流瞬時值控制技術(shù)。它的基本思想是：電壓基準(zhǔn)和反饋電壓的誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后作為電流基準(zhǔn)，電流基準(zhǔn)和反饋電流的誤差經(jīng)比例放大與三角載波進(jìn)行交截，得到正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號來控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，以保證輸出電壓穩(wěn)定。
結(jié)合采用半周期運(yùn)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(yùn)用Saber軟件對Buck／Boost單極逆變器進(jìn)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(guān)頻率fs=50kHz。圖4給出了仿真的關(guān)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(nèi)，這是由于電路運(yùn)行在半周期模式，不存在環(huán)流。
為了進(jìn)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(jī)。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(fù)載時的實驗數(shù)據(jù)。從表1可以看出，當(dāng)輸入電壓相同時，隨著負(fù)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(jìn)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。可見實驗結(jié)果和仿真基本上是一致的。
4 結(jié)語
研究了一種Buck／Boost單極逆變器，詳細(xì)分析了其工作原理，并給出了采用固定開關(guān)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(yùn)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(yīng)力和提高效率。對Buck／Boost單極逆變器進(jìn)行了仿真和實驗，結(jié)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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