半周控制雙Buck-Boost單級(jí)逆變器

嵇保健 洪 峰

（1.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 南京 210009 2.南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210016）

1 引言

對(duì)于交流輸出的太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置而言，逆變器是必需的組成部分。傳統(tǒng)逆變器拓?fù)鋷缀醵伎梢詺w結(jié)為Buck型降壓式變換器結(jié)構(gòu)[1]，為保證逆變器正常工作，要求逆變器直流側(cè)母線(xiàn)電壓必須大于輸出電壓峰值，否則，將導(dǎo)致輸出電壓波形畸變。這就給逆變器的前級(jí)電路提出了高的要求，要求它必需能輸出幅值滿(mǎn)足要求的穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓。

另一方面，在各種太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置中，逆變器的前級(jí)為DC-DC變換器。受自然條件的限制，太陽(yáng)能電池板或風(fēng)機(jī)輸出的功率和電壓變動(dòng)范圍很寬廣，DC-DC變換器普遍采用各種最大功率點(diǎn)跟蹤算法（MPPT），以最大程度地捕獲輸入功率，其輸出即直流母線(xiàn)電壓并不穩(wěn)定，仍具有大的變動(dòng)范圍。

同時(shí)，參考文獻(xiàn)[1-2]指出：DC-DC直直變換器＋DC-AC逆變器的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)復(fù)雜性、加大了開(kāi)銷(xiāo)、增大了整機(jī)體積重量、不利于提高整體的功率變換效率。希望得到一種寬范圍電壓輸入的單級(jí)逆變器，特別是在直流側(cè)母線(xiàn)電壓低于輸出電壓時(shí)也能正常實(shí)現(xiàn)升壓逆變的單級(jí)逆變器。

目前，單級(jí)逆變器均可歸結(jié)為采用 DC-DC 變換器組合得到?；?DC-DC 單管拓?fù)渚荒軐?shí)現(xiàn)電壓的單極性變換，要實(shí)現(xiàn) DC-AC 所需的電壓雙極性變換，需采用兩個(gè) DC-DC 基本電路拓?fù)鋪?lái)進(jìn)行組合[3-4]。參考文獻(xiàn)[5-8]即采用兩個(gè) Buck-Boost 電路按輸入端并聯(lián)，輸出端串聯(lián)進(jìn)行組合，對(duì)其輸出電壓做差來(lái)得到極性有正有負(fù)的交流正弦輸出，從而實(shí)現(xiàn)了單級(jí)升壓逆變。隔離型的 Buck-Boost 逆變器即文獻(xiàn)[9-12]提出并研究的反激逆變器，采用兩個(gè)反激變換器在輸出端串聯(lián)組合得到。本文將以上結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為串聯(lián)組合方式。此外，參考文獻(xiàn)[13-14]則采用前級(jí)升壓電路，后級(jí)全橋的組合來(lái)構(gòu)建Buck-Boost 逆變器，實(shí)際上仍然是兩級(jí)的結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[15-16]則通過(guò)在全橋結(jié)構(gòu)前增加特殊的Z-source 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了三相 Buck-Boost 逆變。

近年來(lái)出現(xiàn)的雙 Buck 逆變器[17-18]則采用兩個(gè)DC-DC基本電路拓?fù)洌˙uck電路）在輸出端并聯(lián)組合得到[21]。本文將其稱(chēng)為并聯(lián)組合方式。單個(gè)Buck 電路單元只在一半的輸出電流周期內(nèi)工作。即前半個(gè)周期 Buck 電路 1工作，Buck 電路 2不工作，提供正極性輸出電流；后半個(gè)周期 Buck 電路 2工作，Buck 電路 1不工作，提供負(fù)極性輸出電流。本文將這種控制策略稱(chēng)為半周控制。半周控制的雙 Buck 逆變器，工作電流僅通過(guò)單個(gè) Buck電路單元，流經(jīng)的功率器件少，相對(duì)串聯(lián)組合方式下工作電流必然流經(jīng)兩電路單元，并聯(lián)組合方式有利于降低損耗，提高變換效率。雙 Buck 逆變器取得了高變換效率[17-20]，但由于 Buck 電路只能降壓，不能實(shí)現(xiàn)單級(jí)升壓逆變。

采用兩個(gè)Buck-Boost 電路按輸出端并聯(lián)進(jìn)行組合，并應(yīng)用半周控制策略，即為本文提出的半周控制雙 Buck-Boost 單級(jí)逆變器，成功地實(shí)現(xiàn)了單級(jí)升壓逆變，并取得良好效果。

2 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器工作原理

圖1為本文提出的雙Buck-Boost單級(jí)逆變器電路拓?fù)?。圖中標(biāo)出了MOS型功率器件的體二極管。S1～S4均為由MOSFET的漏極和功率二極管陰極串聯(lián)得到的單向開(kāi)關(guān)（也可由MOSFET的源極和功率二極管陽(yáng)極串聯(lián)得到），具有電壓雙向阻斷，電流單向流動(dòng)的能力。L1、L2為儲(chǔ)能電感；C1、C2為直流側(cè)均壓電容；Cf為輸出濾波電容；R為負(fù)載阻抗。記直流側(cè)母線(xiàn)電壓大小為2Ud；記P點(diǎn)電壓即輸入正母線(xiàn)電壓為uP；N點(diǎn)電壓即輸入負(fù)母線(xiàn)電壓為uN，有uP=-uN=Ud；記單向開(kāi)關(guān)S1～S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為v1～v4；電感L1和L2的電流分別為iL1和iL2，電感電流iL=iL2-iL1，又有iL=io+iC。io為輸出電流（負(fù)載R電流），iC為濾波電容Cf電流，重載時(shí)，有io≥iC，iL≈io。

圖1 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器電路拓?fù)銯ig 1 Topology of dual Buck-Boost inverter

圖1 中由S1、S3、L1和Cf構(gòu)成的Buck-Boost電路1，是一個(gè)單向直-直變換器，可進(jìn)行反極性電壓變換，流過(guò)從輸出側(cè)到A點(diǎn)的單向電流，即在以輸出電壓uo為縱坐標(biāo)，電感電流iL為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，工作于第3象限；由S2、S4、L2和Cf構(gòu)成的Buck-Boost電路2，是一個(gè)單向直-直變換器，可進(jìn)行反極性電壓變換，可流過(guò)從B點(diǎn)到輸出側(cè)的單向電流，即在以輸出電壓uo為縱坐標(biāo)，電感電流iL為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，工作于第1象限。剩余的第2、4象限，不是Buck-Boost電路1或Buck-Boost電路2單獨(dú)工作能夠完成的，需要兩個(gè)Buck-Boost電路同時(shí)工作。雙Buck-Boost單級(jí)逆變器工作象限分布如圖2所示。

圖2 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器工作象限Fig.2 Working quadrant of dual Buck/Boost single-stage inverter

圖3 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器工作模態(tài)Fig.3 Working modes of dual Buck-Boost inverter

下面結(jié)合圖3和圖4來(lái)敘述雙Buck-Boost單級(jí)逆變器的具體工作原理。圖3為雙Buck-Boost單級(jí)逆變器的工作模態(tài)。圖4為雙Buck-Boost單級(jí)逆變器各種負(fù)載條件下的仿真波形?？蛰d時(shí)，輸出電流即為濾波電容電流iC，輸出電流超前輸出電壓90°，因而輸出電壓正半周上升段即輸出電流、電壓坐標(biāo)的第1象限；輸出電壓正半周下降段即第2象限；輸出電壓負(fù)半周上升段即第3象限；輸出電壓負(fù)半周下降段即第4象限；如圖4a所示。

（1）第1象限：Buck-Boost電路2工作，Buck-Boost電路1不工作，uo＞0、iL＞0；單向開(kāi)關(guān)S2PWM調(diào)制，S4驅(qū)動(dòng)v4同S2驅(qū)動(dòng)v2互補(bǔ)；S1、S3截止。此時(shí)電路包括兩個(gè)工作模態(tài)：

工作模態(tài)I：如圖3a所示，單向開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，電感L2的電流iL2線(xiàn)性上升，單向開(kāi)關(guān)S4無(wú)電流通過(guò)。電容Cf向輸出側(cè)負(fù)載供電。

工作模態(tài)II：如圖3b所示，單向開(kāi)關(guān)S2截止，電感電流iL2從S4續(xù)流，開(kāi)始下降。橋臂B點(diǎn)電壓為輸出電壓，因而圖4所示uB包絡(luò)線(xiàn)為輸出電壓uo，而B(niǎo)uck-Boost電路1在本階段不工作，A點(diǎn)電壓uA為負(fù)母線(xiàn)電壓uN=-Ud。

（2）第2象限：Buck-Boost電路2和Buck-Boost電路1交替工作，輸出電平為雙極性（uN=-Ud或uP=Ud），輸出電壓uo＞0；電感電流iL2＜iL1，iL＜0。此時(shí)電路包括工作模態(tài)I、II和工作模態(tài)III、VI。

（3）第3象限：Buck-Boost電路1工作，Buck-Boost電路2不工作，uo＜0、iL＜0；單向開(kāi)關(guān)S1PWM調(diào)制，S3驅(qū)動(dòng)v3同S1驅(qū)動(dòng)v1互補(bǔ)；S2、S4截止。此時(shí)電路包括兩個(gè)工作模態(tài)：

圖4 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器關(guān)鍵波形Fig.4 Key waves of dual Buck-Boost inverter

工作模態(tài)III：如圖3c所示，單向開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，電感L1的電流iL1線(xiàn)性上升，單向開(kāi)關(guān)S3無(wú)電流通過(guò)。電容Cf向輸出側(cè)負(fù)載供電。

工作模態(tài)IV：如圖3d所示，單向開(kāi)關(guān)S1截止，電感電流iL1從S3續(xù)流，開(kāi)始下降。橋臂A點(diǎn)電壓為輸出電壓，因而圖4所示uA包絡(luò)線(xiàn)為輸出電壓uo，而B(niǎo)uck-Boost電路2在本階段不工作，B點(diǎn)電壓uB為正母線(xiàn)電壓uP=Ud。

（4）第4象限：Buck-Boost電路1和Buck-Boost電路2交替工作，輸出電平為雙極性（uN=-Ud或uP=Ud），輸出電壓uo＜0；電感電流iL2＞iL1，輸出電流io＞0。此時(shí)電路包括工作模態(tài)I、II和工作模態(tài)III、VI。

由以上分析可知，在第2和第4象限，需要兩Buck-Boost電路同時(shí)工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極性電平輸出，維持輸出電壓；在這兩個(gè)象限中，輸出電流為兩電感電流的差值。圖4a為空載時(shí)的仿真波形，輸出電壓、電流相差90°，各象限分別占據(jù)1/4個(gè)輸出周期。當(dāng)逆變器帶阻性負(fù)載，輸出功率因數(shù)變大，輸出電壓、電流相差減小，逆變器工作于第1和第3象限的時(shí)段延長(zhǎng)，工作于第2和第4象限的時(shí)段縮短。載重時(shí)，輸出電壓、電流相差很小，電路工作模式接近理想的電流半周工作模式，即Buck-Boost電路1和電路2分半周期交替工作，僅在電感電流過(guò)零切換處，即第2和第4象限，有少量Buck-Boost電路1和電路2一起工作的區(qū)段，如圖4b所示。圖4c為感性負(fù)載仿真波形。

此外，在第1象限，驅(qū)動(dòng)信號(hào)v4也可保持在高電平，S4保持導(dǎo)通狀態(tài)，由S2PWM調(diào)制，當(dāng)S2關(guān)斷，電感電流iL2從S4自然續(xù)流；在第3象限，驅(qū)動(dòng)信號(hào)v3也可保持在高電平，S3保持導(dǎo)通狀態(tài)，由S1PWM調(diào)制，當(dāng)S1關(guān)斷，電感電流iL1從S3自然續(xù)流。仿真波形如圖4d所示（阻性負(fù)載）。顯然，該方式可有效減少S3、S4開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗。

雙Buck-Boost單級(jí)逆變器可做進(jìn)一步的優(yōu)化，將兩電感磁集成在同一副磁心上，進(jìn)一步減小濾波器的體積重量。由于采用集成磁件的雙Buck-Boost逆變器的工作過(guò)程和分析與采用分離電感的雙Buck-Boost單級(jí)逆變器一致，不再作單獨(dú)的討論。

該逆變器采用了半橋輸入方式。對(duì)于光伏發(fā)電、蓄電池供電等場(chǎng)合，可通過(guò)光伏陣列、蓄電池組串聯(lián)組合，提供±Ud輸入電壓。對(duì)于單電源供電的場(chǎng)合，可采用電容分壓方式輸入，并引入輸入電壓前饋控制，進(jìn)行均壓控制。限于篇幅，詳細(xì)分析略。

3 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器控制方案

為實(shí)現(xiàn)以上工作原理，對(duì)雙Buck-Boost單級(jí)逆變器采用圖5所示的控制方案。為保障逆變器兼具優(yōu)良的波形質(zhì)量和輸出特性以及快速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案。為實(shí)現(xiàn)半周工作方式，采用單極性SPWM調(diào)制生成S1、S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即采用正極性三角波交截生成S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；采用負(fù)極性三角波生成S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖4仿真波形所示，S3、S4分別在半個(gè)周期內(nèi)幾乎一直導(dǎo)通，僅在電感電流過(guò)零切換處有少量調(diào)制，使S3、S4幾乎工作于輸出工頻有助降低器件的開(kāi)關(guān)損耗。由于S1～S4中功率二極管的阻斷作用，雙Buck-Boost逆變電路中任意兩只功率開(kāi)關(guān)管之間均無(wú)直通可能，因而可以同時(shí)導(dǎo)通；但不允許Buck-Boost電路1工作時(shí)，S1和S3同時(shí)關(guān)斷；Buck-Boost電路2工作時(shí)，S2和S4同時(shí)關(guān)斷，否則會(huì)造成電感L1或L2的電流無(wú)處續(xù)流，電感儲(chǔ)能在開(kāi)關(guān)死區(qū)內(nèi)全部作用在開(kāi)關(guān)器件寄生電容上，將造成很大的電壓尖峰，危及器件安全，因而S1和S3，S2和S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間應(yīng)插入高電平死區(qū)，以保證Buck-Boost電路1工作時(shí)，S1關(guān)斷截止前已開(kāi)通S3，S3關(guān)斷截止前已開(kāi)通S1；Buck-Boost電路2工作時(shí)，S2關(guān)斷截止前已開(kāi)通S4，S4關(guān)斷截止前已開(kāi)通S2。

圖5 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器控制框圖Fig.5 Control method of dual Buck-Boost inverter

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。雙Buck-Boost單級(jí)逆變器原理樣機(jī)參數(shù)如下：開(kāi)關(guān)管采用SPW47N60C3、功率二極管采用DSEP15-03A、電感L1＝L2＝100μH、輸出濾波容Cf＝34.7μF，額定輸出電壓峰值為100V，輸出頻率為50Hz、額定輸出功率為200W。

圖6為雙Buck-Boost單級(jí)逆變器原理樣機(jī)在空載、阻性負(fù)載和感性負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)波形同前文理論分析和仿真結(jié)果一致，該變換器在各種性質(zhì)負(fù)載下均實(shí)現(xiàn)了單級(jí)升壓逆變：圖6a空載實(shí)驗(yàn)波形中，由電感電流和輸出電壓的相位關(guān)系可判斷出逆變器工作的四個(gè)象限，在輸出電壓uo和電感電流iL均小于零的第3象限，Buck-Boost電路2不工作，因而橋臂B點(diǎn)電壓uB為母線(xiàn)電壓uN；在其他三個(gè)象限，Buck-Boost電路2都工作，因而uB包絡(luò)線(xiàn)為輸出電壓uo，其中，在輸出電壓uo和電感電流iL均大于零的第1象限，Buck-Boost電路2單獨(dú)工作，第2、4象限，同Buck-Boost電路1同時(shí)工作。由圖6b、6c實(shí)驗(yàn)波形可見(jiàn)，阻性負(fù)載時(shí)，逆變器接近工作于電流半周工作模式，Buck-Boost電路1提供負(fù)半周的電感電流。圖6d驗(yàn)證了逆變器帶感性負(fù)載的能力。另外，綜合圖6a～6d可驗(yàn)證：隨著輸出功率因數(shù)的提高（輸出電壓、電流相位越接近），Buck-Boost電路1、2分別近似半周期工作。

圖6 雙Buck-Boost單級(jí)逆變器工作模態(tài)Fig.6 Working modes of dual Buck-Boost inverter

圖6 給出的均為輸入電壓低于輸出電壓（峰值）時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。對(duì)輸入電壓高于輸出電壓（峰值）的情況也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該逆變器同樣可正常工作，適應(yīng)各種負(fù)載情況，且滿(mǎn)足波形質(zhì)量要求。限于篇幅，實(shí)驗(yàn)波形略。

圖7為雙Buck-Boost單級(jí)逆變器的效率曲線(xiàn)。圖8為雙Buck-Boost單級(jí)逆變器的輸出電壓THD曲線(xiàn)。在小功率等級(jí)下，該逆變器取得了相對(duì)較高的變換效率和輸出波形質(zhì)量。

圖7 效率曲線(xiàn)Fig.7 Efficiency of dual Buck-Boost inverter

圖8 THD曲線(xiàn)Fig.8 THD of dual Buck-Boost inverter

5 結(jié)論

雙Buck-Boost逆變器是一種新穎的單級(jí)逆變器，由兩個(gè)Buck-Boost單向直流變換器輸出并聯(lián)得到，具有以下特點(diǎn)：

（1）可適應(yīng)各種負(fù)載情況，并隨著輸出功率因數(shù)的提高，近似工作于電流半周期模式。

（2）在輸入側(cè)母線(xiàn)電壓低于輸出電壓時(shí)，雙Buck-Boost單級(jí)逆變器仍能正常完成逆變功能；

（3）整個(gè)電路結(jié)構(gòu)和控制方案均較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；開(kāi)關(guān)管可同時(shí)開(kāi)通，電路無(wú)橋臂直通問(wèn)題；輸入輸出共地，易構(gòu)建三相系統(tǒng)。

該逆變器對(duì)于簡(jiǎn)化小功率逆變系統(tǒng)，提高功率密度，具有一定促進(jìn)作用。

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