一種優(yōu)化逆變電源直流變壓電路

曹子林， 陳戈珩， 李文秀

（長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

隨著人類文明的發(fā)展，人類社會對石油、天然氣等不可再生資源的消耗量越來越大，因此給人類帶來了負面影響，如溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧層空洞等問題。新能源的開發(fā)利用順勢而生。

隨著世界新能源行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)新能源行業(yè)緊追不舍，國家大力投資光伏發(fā)電，風(fēng)光互補技術(shù)不僅對節(jié)能減排具有積極意義，同時對于提高國家科研能力具有深遠意義。

文中斬波式直流變壓電路可用于風(fēng)能發(fā)電，光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)彌補了以往將升壓電路和降壓電路獨立設(shè)計的不足，減小了響應(yīng)延時，有效縮短了控制系統(tǒng)運算時間。

1 逆變電源直流變壓電路工作原理

1.1 斬波降壓電路（Buck Chopper）

降壓斬波電路（Buck Chopper）等效電路及數(shù)據(jù)分析如圖1所示。

圖1 降壓斬波電路的原理圖及波形

圖1（a）中功率模塊屬于全控型器件，本設(shè)計采用德國生產(chǎn)IGBT。D單向?qū)ǘO管，續(xù)流作用。由圖1（b）中V的柵極發(fā)射級電壓UGE分析，當IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入電源Ui為R供電，UD＝Ui。當IGBT處于斷開狀態(tài)時，負載電流經(jīng)二極管D續(xù)流構(gòu)成回路，抑制電流突變電壓UD近似為零，約為1V上下，在高壓電路中可忽略不計。至一個周期結(jié)束，再由控制系統(tǒng)驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一個周期動作，負載電壓的平均值為：

式中：ton——IGBT處于通態(tài)的時間；

toff——IGBT處于斷態(tài)的時間；

T——開關(guān)周期；

α——導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū龋?/p>

由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為Ui，若減小占空比α，則Uo隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。

1.2 升壓斬波電路（Boost Chopper）

升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖及波形如圖2所示。

圖2 升壓斬波電路的原理圖及波形

電路也使用一個全控型器件V。由圖2（b）中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向電感L1上積蓄的能量為UiI1ton。當V處于斷態(tài)時，Ui和L1共同向電容C1充電，并向負載提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為（Uo－Ui）I1ton。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

輸出電壓：

上式中的T／toff≥1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

1.3 傳統(tǒng)變壓電路存在的問題

傳統(tǒng)直流升壓電路和降壓電路采用獨立設(shè)計方案，需要兩套幾乎完全相同的控制系統(tǒng)，編程時子程序較繁瑣，且兩種電路基本原理類似，硬件電路中使用元件60%可以共用，但由于工作方式獨立，并不能達到統(tǒng)籌規(guī)劃、節(jié)約資源的目的。因此，傳統(tǒng)設(shè)計方案需要改良，且完全可以合并為一個雙功能斬波變壓電路。

2 逆變電源直流變壓電路優(yōu)化設(shè)計

2.1 逆變電源直流變壓組成結(jié)構(gòu)

逆變電源直流變壓組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 組成結(jié)構(gòu)

2.2 直流斬波變壓電路優(yōu)化設(shè)計

升壓和降壓斬波電路結(jié)構(gòu)簡單，但它們只能執(zhí)行升壓和降壓功能，且操作起來麻煩，還增加了額外的開支。

文中將升壓和降壓斬波電路合并，直流變壓電路優(yōu)化設(shè)計如圖4所示。

圖4 直流變壓電路優(yōu)化設(shè)計

VT1，2L1，D2構(gòu)成降壓電路。當VT1導(dǎo)通時，二極管截止，電流通過電感2L1給負載供電，當VT1截止時，電感2L1通過二極管D2給負載提供電能，由能量守恒可推得負載電壓下降。VT2，2L1，D2構(gòu)成升壓斬波電路。當VT2截止時，電源給電感2L1儲能充電，當VT2截止時，電源和電感同時給負載供電，從而提高了負載的電壓。

圖中傳感器3T1起到過流保護的作用，當電流過大時，S1受控自動斷開，阻止電源繼續(xù)供電，電路2R3，2C1及電路2R4，2C2的作用是吸收電流。下面以電路2R3，2C1舉例說明。當IGBT導(dǎo)通時，電感2L1積蓄能量，當IGBT截止時，電感釋放能量，這時如果電流過大，全控器件IGBT很容易被擊穿，2R3，2C1及二極管構(gòu)成的電路可以吸浪涌峰壓，從而起到保護全控器件IGBT的作用。下面介紹電池BT的作用：當電感2L1中的能量沒被釋放完全時，多余的能量被電源儲蓄起來，當電感中的電流過小時，蓄電池也可以為負載供電，所以，它起到了節(jié)約能源和為電路提供能量的作用。

3 結(jié)論與展望

直流升壓電路和直流降壓電路在之前的設(shè)計中一直采用獨立變壓模式，雖然可以完成相應(yīng)功能，但生產(chǎn)成本較高，采用本設(shè)計直流變壓電路后，將斬波升壓和降壓電路合二為一，有效地利用了現(xiàn)有元器件，降低了生產(chǎn)成本，且功能更加完善，并在簡化電路結(jié)構(gòu)的同時，減少了采樣環(huán)等元件的使用。

文中提出的直流變壓電路優(yōu)化方案有待實驗驗證，希望能為業(yè)內(nèi)設(shè)計人員提供理論參考。

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