一種新型輸出并聯(lián)型雙Boost逆變器

歐陽(yáng)靜 洪 峰 王成華 黃銀漢

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 南京 210016 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司 南京 210016）

1 引言

具有升壓能力的單級(jí)逆變器是電力電子的研究熱點(diǎn)。在直—交變換電路中，應(yīng)用最廣泛的全橋逆變器和半橋逆變器只能實(shí)現(xiàn)降壓變換。若要實(shí)現(xiàn)升壓逆變需在橋式逆變電路前增加一級(jí)可升壓變換的直—直變換器。多級(jí)結(jié)構(gòu)雖具有更高的自由度，但功率級(jí)數(shù)量增多，將降低整體效率、可靠性和簡(jiǎn)潔程度，增加系統(tǒng)開銷[1-2]。為此，國(guó)際上關(guān)于逆變系統(tǒng)研究的一大發(fā)展趨勢(shì)，是直接將多功率級(jí)的系統(tǒng)架構(gòu)整合為單級(jí)系統(tǒng)，即所謂單級(jí)逆變器（Single-Stage Inverter）[3]。

目前所提出的單級(jí)逆變器幾乎都是用兩個(gè)直—直變換器在輸出側(cè)串聯(lián)組合得到[4-5]。輸出串聯(lián)雙Buck/Boost逆變器和輸出串聯(lián)雙Boost逆變器是其中最常見(jiàn)的兩種。輸出串聯(lián)雙Buck/Boost逆變器采用兩個(gè)Buck/Boost變換器在輸出側(cè)串聯(lián)方式構(gòu)建。Buck/Boost結(jié)構(gòu)既可升壓又可降壓變換，負(fù)載電流THD低，但存在電感電流應(yīng)力大的缺點(diǎn)，給電感設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，限制了其實(shí)際升壓能力[6-7]。輸出串聯(lián)雙 Boost逆變器由于 Boost電路只能升壓變換，作為其組成單元的兩個(gè)雙向 Boost直—直變換器的輸出，必須包含高于輸入電壓的直流偏置，造成輸出串聯(lián)雙 Boost逆變器的升壓能力相對(duì) Boost直—直變換器而言減弱了。輸出串聯(lián)型逆變器由于兩個(gè)直—直變換器全周期工作，電路中一直存在環(huán)流，并且開關(guān)管的導(dǎo)通損耗大，所以效率并不高[8-9]。

少量研究采用與此相對(duì)偶的并聯(lián)方式，即由Buck、Boost等基本結(jié)構(gòu)在輸入側(cè)串聯(lián)輸出側(cè)并聯(lián)方式構(gòu)成[10-11]。用于升壓變換的是輸出并聯(lián)雙Buck/Boost半橋逆變器。相對(duì)于輸出串聯(lián)雙Buck/Boost逆變器，輸出并聯(lián)雙Buck/Boost逆變器具有更小的開關(guān)和導(dǎo)通損耗、更低的EMI和更高的可靠性[12]。輸出并聯(lián)型逆變器具有三相共地、無(wú)直通等優(yōu)勢(shì)，但由于Buck/Boost、反激等拓?fù)浔旧硇什桓?，限制了?yīng)用，但這些文獻(xiàn)所代表的輸出并聯(lián)方式是一種優(yōu)秀的研究思路。

為此，本文提出了一種輸出并聯(lián)型雙Boost逆變器，它由兩個(gè) Boost電路按并聯(lián)組合方式構(gòu)成。該逆變器具有較高的升壓能力和變換效率，詳見(jiàn)下文分析。

2 電路拓?fù)渑c分析

輸出并聯(lián)型雙 Boost逆變器的電路拓?fù)淙鐖D 1所示。它由兩個(gè)Boost變換器組成：①由電容C3，電感 L1，開關(guān)管 S1、S3，二極管 VD1組成的 Boost變換器1；②由電容C4，電感L2，開關(guān)管S2、S4，二極管 VD2組成的 Boost變換器 2。兩路 Boost變換器在輸入側(cè)串聯(lián)輸出側(cè)并聯(lián)。C1、C2為輸入分壓電容。VD3～VD6為開關(guān)管 S1～S4上的二極管。逆變器工作時(shí)按電流電壓可分為四個(gè)工作象限，如圖2所示。

當(dāng)該逆變器工作于第一象限且輸出電壓高于輸入電壓時(shí)僅Boost電路1工作，當(dāng)該逆變器工作于第三象限且輸出電壓的絕對(duì)值大于輸入電壓時(shí)僅Boost電路2工作，在其他時(shí)間Boost電路1和2才同時(shí)工作。輸出串聯(lián)雙Boost逆變器Boost1、Boost2一直工作于PWM狀態(tài)。該輸出并聯(lián)雙Boost逆變器在各種負(fù)載情況下都能正常工作。當(dāng)負(fù)載為阻性時(shí)一、三象限工作時(shí)間較多，且由下文分析可知S3、S4近似工頻調(diào)制，通態(tài)損耗和開關(guān)損耗小，因此變換效率高。

圖1 輸出并聯(lián)型雙Boost逆變器Fig1 Output parallel dual Boost inverter

圖2 逆變器工作象限Fig.2 The working quadrant of inverter

為了便于分析，先做如下假設(shè)：電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，所有器件均為理想器件，電感電容為理想儲(chǔ)能元件，輸入分壓電容均壓。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電路分為以下幾個(gè)區(qū)段（以下分析參照?qǐng)D4進(jìn)行）。

（1）[t1～t2]：t1時(shí)刻，逆變器工作于第一象限，輸出電壓uo＞UP，Boost電路1工作，Boost電路2不工作，電感電流iL=iL1＞0。S1PWM 調(diào)制；S3保持導(dǎo)通，在 S1關(guān)斷截止時(shí)為電感 L1電流提供續(xù)流回路。此階段電路工作包括模態(tài)I和模態(tài)II。

工作模態(tài) I：此時(shí) S1、S3導(dǎo)通，S2、S4截止，如圖3a所示。電感L1的電流iL1線性上升，S3無(wú)電流通過(guò)。電容 C5向輸出側(cè)負(fù)載供電。設(shè) S1導(dǎo)通的占空比為d，當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)

工作模態(tài)II：此時(shí)開關(guān)S3導(dǎo)通，S1、S2、S4截止，如圖3b所示。電感電流iL1從S3續(xù)流，開始下降。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，近似認(rèn)為輸出電壓在開關(guān)周期內(nèi)不變，聯(lián)立式（1）、式（2）得

式（3）說(shuō)明該逆變器可實(shí)現(xiàn)升壓。

（2）[t2～t3]：t2時(shí)刻，電感電流iL過(guò)零，由正變負(fù)，逆變器工作于第二象限，輸出電壓 uo＞0，Boost電路 1和 Boost電路 2一起工作，電感電流iL=iL1-iL2＜0。電路工作包括模態(tài) I～I(xiàn)V。

工作模態(tài)III：此時(shí)S2、S4導(dǎo)通，S1、S3截止，如圖3c所示。電感L2的電流iL2線性上升，S4無(wú)電流通過(guò)。電容 C5向輸出側(cè)負(fù)載供電。設(shè) S2導(dǎo)通的占空比為d，當(dāng)開關(guān)S2閉合時(shí)

工作模態(tài)IV：此時(shí)開關(guān)S4導(dǎo)通，S1～S3截止，如圖3d所示。電感電流iL2從S4續(xù)流，開始下降。

聯(lián)立式（4）、式（5）得

（3）[t3～t4]：t3時(shí)刻，輸出電壓uo過(guò)零，由正變負(fù)，逆變器工作于第三象限，輸出電壓 UN＜uo＜0，電感電流iL=iL1-iL2＜0，Boost電路 1和Boost電路2一起工作。電路工作包括模態(tài)I～I(xiàn)V。

（4）[t4～t5]：逆變器工作于第三象限，電感電流 iL=－iL2＜0，輸出電壓 uo＜UN＜0，Boost電路 2工作，Boost電路1不工作。S2PWM調(diào)制；S4保持導(dǎo)通，在 S2關(guān)斷截止時(shí)為電感 L2電流提供續(xù)流回路。此階段電路工作包括模態(tài)III和模態(tài)IV。

（5）[t5～t6]：t5時(shí)刻，電感電流iL過(guò)零，由負(fù)變正，逆變器工作于第四象限，輸出電壓 uo＜0，電感電流iL=iL1-iL2＞0，Boost電路1和Boost電路2一起工作。S1～S4均PWM調(diào)制，電路工作包括模態(tài) I～I(xiàn)V。

（6）[t6～t7]：t6時(shí)刻，輸出電壓uo過(guò)零，由負(fù)變正，逆變器工作于第 1象限，輸出電壓 0＜uo＜UP，電感電流iL=iL1-iL2＞0，Boost電路1和Boost電路2一起工作。電路工作包括模態(tài)I～I(xiàn)V。

由于Boost電路電流只能單向流動(dòng)，當(dāng)S1、S3斷開時(shí)，若通過(guò) L1的電流不為零，此時(shí)電容 C3為L(zhǎng)1續(xù)流，具有抑制尖峰的作用。同理當(dāng)S2、S4斷開時(shí)，若通過(guò)L2的電流不為零，此時(shí)電容C4為L(zhǎng)2續(xù)流。

當(dāng)負(fù)載為阻性時(shí)，隨著負(fù)載的增大，輸出電壓和電感電流的相位更加接近，二、三象限工作的時(shí)間縮短，逆變器近似半周期工作，S3、S4工頻開關(guān)，逆變效率高。該逆變器工作在二、四象限時(shí)，輸出電壓和電流不同相，具有能量雙向流動(dòng)的能力，可實(shí)現(xiàn)能量回饋。

圖3 雙Boost逆變器工作模態(tài)Fig.3 The working mode of dual Boost inverter

圖4 雙Boost逆變器仿真關(guān)鍵波形Fig.4 The key simulation waveforms of dual Boost inverter

3 閉環(huán)控制策略與仿真

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略。電壓/電流雙閉環(huán)控制策略具有輸出波形質(zhì)量好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，應(yīng)用較廣泛。其基本原理是：將輸出電壓與電壓基準(zhǔn)信號(hào)的誤差通過(guò) PI調(diào)節(jié)器得到電流基準(zhǔn)信號(hào)。將電感電流與電流基準(zhǔn)信號(hào)的誤差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其控制框圖如圖5所示。

運(yùn)用SABER仿真軟件采用圖5對(duì)雙Boost逆變器進(jìn)行閉環(huán)仿真。仿真參數(shù)如下：輸入分壓電容C1=C2=1000μF；L1=L2=100μH；儲(chǔ)能電容C3=C4=220μF；開關(guān)管采用IGBT，每個(gè)IGBT內(nèi)部都反并聯(lián)了一個(gè)二極管；輸入電壓 Ud=50V；輸出電壓有效值Uo=100V；額定輸出功率 Po=500W；輸出頻率fo=50Hz；開關(guān)頻率fs=25kHz。仿真波形如圖4所示。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖Fig.5 Block diagram of voltage and current double closed-loop control

由圖4可知：僅在輸出電壓的絕對(duì)值小于輸入電壓時(shí)兩個(gè)Boost電路才同時(shí)工作，其他時(shí)間段僅有一個(gè)Boost電路工作，此時(shí)開關(guān)管S3、S4處于工頻開關(guān)狀態(tài)。并且升壓比越高時(shí)，Boost電路1和2同時(shí)工作的時(shí)間越少，損耗越小。逆變器在工作時(shí)，電流僅流經(jīng)兩個(gè)功率器件，有助于降低開關(guān)損耗。因此該電路的開關(guān)通態(tài)損耗小，電路環(huán)流也較小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)際性能，設(shè)計(jì)了一臺(tái)原理樣機(jī)，參數(shù)如下：輸入分壓電容C1=C2=1000μF；L1=L2=100μH；儲(chǔ)能電容 C3=C4=220μF；開關(guān)管采用IGBT IRG4PC40W；輸入電壓Ud=50V；輸出電壓有效值Uo=100V；額定輸出功率Po=500W；輸出頻率 fo=50Hz；開關(guān)頻率 fs=25kHz?？蛰d和滿載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results

由圖 6可知：由于該電路不存在直流偏置，Boost電路可以取得較高的升壓比。當(dāng)輸出電壓的絕對(duì)值大于輸入電壓時(shí)僅有一個(gè) Boost直—直變換器在工作，此時(shí)只有該路Boost變換器的一個(gè)開關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)，一個(gè)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，另外一個(gè) Boost電路的兩個(gè)開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在輸出電壓的絕對(duì)值小于輸入電壓時(shí)兩個(gè)Boost電路才同時(shí)工作，因此該逆變器可以取得較高的變換效率。圖7是輸出不同功率時(shí)逆變器的效率曲線。

5 結(jié)論

圖7 雙Boost逆變器效率曲線Fig.7 The efficiency curve of dual Boost inverter

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)單級(jí)升壓的輸出并聯(lián)型雙Boost逆變器。相對(duì)于輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)該逆變器不存在直流偏置，具有較高的升壓比。由于該逆變器在輸出電壓的絕對(duì)值大于輸入電壓時(shí)只有一個(gè) Boost電路在工作，此時(shí)只有一個(gè)開關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)，其他開關(guān)管處于工頻開關(guān)狀態(tài)，整個(gè)電路的開關(guān)損耗小，并且整個(gè)電路不存在環(huán)流，因此該電路具有較高的變換效率。本文針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該輸出并聯(lián)型雙 Boost逆變器升壓能力較高，并具有較高的變換效率。

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