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采用BoostPWMDC／DC變換器的正弦波逆變器 |
| 作者：輕輕紅過 欄目：電源技術(shù) |
劉鳳君 (中國航天科工集團公司206所，北京 100854） 摘要：介紹了采用BoostPWMDC/DC變換器的正弦波逆變器的工作原理與控制方式，這是一種新型的正弦波逆變器。 關(guān)鍵詞：升壓；DC/DC變換器；正弦波逆變器 1 引言 傳統(tǒng)的電壓型逆變器只能降壓，不能升壓。要升壓就必須采用升壓變壓器，或在直流電源與逆變器之間串入Boost DC/DC變換器。這對于應用于UPS及通信振鈴電源的低頻逆變器來說，將會使電源的體積重量大大增加。而采用新型的BoostPWMDC/DC變換器組成的逆變器，將會很簡單地實現(xiàn)升壓逆變。如果在一個周期內(nèi)不斷地按著正弦規(guī)律改變載波周期內(nèi)的占空比D，就可以輸出電壓成為正弦波。 2 Boost變換器的升壓特性 BoostPWMDC/DC變換器具有優(yōu)越的無級升壓變壓功能，因此，可以把它直接應用于需要升壓變壓的高開關(guān)頻率PWM電壓型逆變器中。 Boost變換器電路如圖1（a）所示。假定開關(guān)S的開關(guān)周期為T，開通時間為ton=DT，關(guān)斷時間為toff=(1－D)T,而D=ton/T=0～1為開通占空比，(1－D)=ton/T為關(guān)斷占空比。Boost變換器有兩個工作過程。 1）儲能過程在S開通期間ton為電感L的儲能過程，其等效電路如圖1（b）所示。S開通，輸入電路被S短路，輸入電流i1使電感L儲能，加在L上的電壓為電源電壓US，電壓方向與電流方向相同。由電磁感應定律得 在ton期間，L中的電流增量為 ΔI1on= 2)放能過程在S關(guān)斷期間toff，為電感L的放能過程，其等效電路如圖1（c）所示。S關(guān)斷，D導通，電源與輸出電路接通，電感L放能，加在L的電壓為輸出電壓Uo與電源電壓US之差（Uo－US）,電壓方向與電流i2的方向相反。由電磁感應定律得 在toff期間，L中的電流減小量為 ΔI2off= 電路穩(wěn)定后，ΔI1on=|ΔI2off| 所以 DT= (1－D)T；US=(1－D)Uo 故輸出輸入電壓變比 （1） Boost變換器的工作波形如圖1（d）所示，可以看出：輸入電流i1是連續(xù)的，輸出電流i2是斷續(xù)的。i1連續(xù)是因為輸入電路有L的存在。 作出M=f(D)的關(guān)系曲線如圖1（e）所示。由于D=0～1,所以 ,說明Boost變換器只能升壓，不能降壓。 (a)原理電路 （b）儲能等效電路 (c)放能等效電路 （d） 波形圖 (e)M=f(D)曲線 圖1 Boost變換器電路的工作波形及M=f(D)曲線 3 Boost逆變器的構(gòu)成 對于UPS或交流電動機驅(qū)動用的逆變器，要求它必須能夠雙向四象限工作，所以，應將Boost DC/DC變換器改進成雙向變換器。所謂雙向變換器，就是功率既可以從輸入端流向輸出端，也可以從輸出端流向輸入端。為此，必須要解決電流反向流通的問題。最簡單的解決辦法是在原電路的三極管上反并聯(lián)一只二極管，在原電路的二極管上反并聯(lián)一只三極管，三極管和二極管共同組成兩個反向?qū)ǖ拈_關(guān)S和S。S和S按互補方式工作。這樣，不僅保證了正反向電流的流通，而且也不使等效電路的工作過程發(fā)生變化。改進后的電路如圖2（a）所示，圖2（b）為雙向Boost變換器的M=f(D)曲線。當功率由US輸送到Uo時，變換器工作在Boost狀態(tài)， 。當功率由Uo輸送到US時，變換器工作在Buck狀態(tài)，M=1－D。 所謂S與S互補工作，即在DT期間S開通，S關(guān)斷，在（1－D）T期間S開通，S關(guān)斷。 根據(jù)變換器變比的定義，當US為電源Uo為負載時，變比M= 稱為正向變比。當Uo為電源US為負載時，變比M= 稱為反向變比。兩者之間的關(guān)系為M= 。令互補占空比D=1－D，則1－D=D，因此，Boost變換器的變比M= ，M=1－D=D。 (a)雙向Boost變換器電路 (b)M=f(D)曲線 圖2 雙向Boost變換器的原理電路及其M=f(D)曲線 用圖2（a）所示的Boost雙向變換器構(gòu)成的雙向四象限Boost逆變器如圖3（a）所示，圖3（b）為雙向四象限Boost逆變器的M=f(D)曲線。Boost逆變器是用兩個雙向Boost變換器，共用一個電源US，在電源的負極上下對稱地并聯(lián)起來構(gòu)成的。負載電阻R以輸出差動的形式連接電路中。逆變器的4個開關(guān)工作在如圖3（a）所示的互補方式，由電源US通過上下兩個雙向變換器向負載R供電。當上面的雙向變換器變比為M′=f(D)時，下面的雙向變換器的變比即為M′=f(D)，D=1－D。這樣，逆變器a點的電壓Ua=M′US，b點的電壓Ub=M′US，負載R上的電壓UL=Ua－Ub=M′US－M′US=US(M′－M′)。根據(jù)變比的定義，逆變器的變比M= =M′－M′。 對于Boost逆變器，M′= ，M′= =1/D，所以 M=M′－M′= － = （2） 作出 與D的關(guān)系曲線如圖3（b）所示。 (a) Boost逆變器電路 (b) M=f(D)曲線 圖3 Boost雙向四象限逆變器及其M=f(D)曲線 4 Boost逆變器的PWM控制法 Boost逆變器的PWM控制法大約有5種，即SPWM控制法，滑�？刂品ǎ⊿liding mode CONTROL）,電壓跟蹤控制法，函數(shù)控制法（Function CONTROL）和離散變量控制法。它們各有特點，適合于不同用途的Boost逆變器。但應用較多的是前三種控制法。 4.1 SPWM控制法 適合于Boost逆變器的SPWM控制法有三種形式，即二階SPWM控制、三階SPWM控制，三階交互式SPWM控制。 4.1.1 二階SPWM控制 Boost逆變器的二階SPWM控制電路如圖4（a）所示，圖4（b）為工作波形圖。逆變器的左臂變換器按圖3（b）中的曲線①工作，變比M′= ；右臂變換器按圖3（b）中的曲線②工作，變比M′=－ ;逆變器按圖3（b）中的曲線③工作，變比M=M′－M′= － = 。由圖4（b），采樣點a和b的方程為 式中：Tc為載波三角波周期； ζ=Uc/U為 調(diào) 制 比 ； 0≤p≤Tc/2； k=1，2，3，…N/2； N為 載 波 比 。 （a）原理電路 （b）工作波形圖 圖4 Boost逆變器的二階SPWM控制電路 脈沖寬度 占空比 D的值不是隨意給定的，只與變比M有關(guān)。因此，D的實際應用值只能從圖3（b）中的曲線③求出。根據(jù)已知的US和UL值，算出變比 ，由M在曲線③上查出占空比D的值，逆變器的D工作區(qū)間則為（1－D）～D。 逆變器輸出電壓uL的傅里葉級數(shù)表示為式（3） • （3） 4.1.2 三階SPWM控制法 Boost逆變器的三階SPWM控制電路如圖5（a）所示，圖5（b）為工作波形圖。為了滿足左右臂變換器中兩個開關(guān)的互補工作，采用了左右臂相位參差調(diào)制法。即采用兩個相位相反而幅值相同的正弦調(diào)制波，與一個載波三角波進行比較，得到兩個相位相反的二階SPWM波去分別控制左右臂變換器，在電容C1和C2上分別得到電壓ua和ub，用ua－ub即可得到電壓uL的三階SPWM輸出電壓。左臂C1上電壓ua由S1和S1產(chǎn)生，右臂C2上電壓ub由S2和S2產(chǎn)生，左右兩臂變換器工作在互補狀態(tài)。當左臂的占空比為D時，右臂的占空比則為D=1－D。 (a) 原理電路 (b) 工作波形圖 圖5 Boost逆變器的三階SPWM控制電路 對于左臂，開關(guān)S1和S1互補工作，調(diào)制波為u=sinω(kTc＋p)是正相位，采樣點a和b的方程式為 占空比 （4） 對于右臂，開關(guān)S2和S2互補工作，調(diào)制波為－u=－sinω(kTc＋p)是反相位，采樣點a′和b′的方程式為 占空比 D= （5） 則1－D=1－ = =D 這說明左右兩臂變換器的占空比滿足D=1－D，兩臂相互之間也工作在互補狀態(tài)，即左臂變換器按圖3（b）中曲線①工作；右臂變換器按圖3（b）中曲線②工作；逆變器按圖3（b）中曲線③工作。占空比D的值應由M來確定。當已知US和UL |
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