雙Buck半橋逆變器混合PWM控制策略

念 平 林瓊斌

（福州大學，福州 350116）

雙Buck半橋逆變器混合PWM控制策略

念 平 林瓊斌

（福州大學，福州 350116）

本文研究一種雙Buck半橋逆變器的混合PWM控制策略。該PWM控制策略使逆變器工作在半周期調制，通過判斷電感的工作狀態(tài)來確定電路的控制模式。在電感電流連續(xù)模式（CCM）時逆變器采用電壓電流雙環(huán)控制。而在電感電流斷續(xù)模式（DCM）時，通過分析出電感電流斷續(xù)工作時的占空比和連續(xù)工作時占空比的映射關系，使得逆變器在線性連續(xù)工作區(qū)和強非線性的斷續(xù)工作區(qū)均能良好地跟蹤給定值，減小了雙Buck半橋逆變器在半周期脈寬調制下的波形畸變問題。

雙降壓半橋逆變器；半周期調制；混合控制；波形畸變

雙Buck半橋逆變器（DBHBI）是一種具有高可靠性的逆變器[1]。按照開關頻率是否固定劃分，它的控制方式可以分為PWM控制和滯環(huán)控制。按照電感電流工作時間劃分，它的控制方式可以分為全周期調制和半周期調制。

PWM控制在全橋逆變器中廣泛的應用，是一種恒頻的線性控制，電路參數(shù)易于設計。雙Buck半橋逆變器的PWM控制策略有全周期正弦脈寬調制（FC-SPWM）和半周期正弦脈寬調制（HC-SPWM）兩種。FC-SPWM的兩個開關管在整個工頻周期內均為高頻工作，對應的兩個電感都有電流且連續(xù)[2]。這種調制方式存在環(huán)流問題，并且增加了功率管損耗和濾波電感損耗，降低了系統(tǒng)效率。與FC-SPWM相比，無偏置電流的半周期調制方式（HCM）是一種高效，高可靠性的調制方式[3]。在任一個開關周期內只有一個開關管工作，任意時刻只有一個電感有電流，兩支電感工頻半周獨立工作，具有更高的系統(tǒng)效率。

對于雙Buck半橋逆變器，采用HC-SPWM時，在電感電流斷續(xù)情況下輸出電壓波形存在嚴重畸變，并且波形畸變因負載大小而變動。因而給控制上帶來了很大的難度。文獻[7]中對的雙降壓全橋逆變器進行研究，采用HC-SPWM時并網(wǎng)電流電流由于電感電流斷續(xù)引起畸變，使得并網(wǎng)電流波形質量變得很差。文中提出了重復控制來降低電流畸變率。但是重復控制器的動態(tài)響應很慢，影響了逆變器的動態(tài)性能。

具有非線性控制性質的的滯環(huán)控制在雙降壓逆變器族中得到廣放的應用[4-6]。但是滯環(huán)控制存在開關頻率變動范圍大，輸出電壓諧波頻譜寬，濾波器難以設計，適用功率級別小等缺點。

本文針對雙Buck半橋逆變器采用HC-SPWM時的波形畸變問題，提出了基于電感電流連續(xù)和斷續(xù)分別控制的混合控制算法。推導了電感電流斷續(xù)時算法公式，以及兩種控制算法的切換條件與切換方式。該算法將非線性的輸入輸出關系映射為線性關系，從而能夠通過線性的控制方式來達到很好的控制效果。仿真與實驗結果驗證了該控制方式的可行性。

1 原理與設計

1.1 電感兩種工作狀態(tài)下的占空比關系

雙Buck半橋逆變器在半周期調制時，電感電流存在斷續(xù)的工作狀態(tài)，電感電流斷續(xù)會對輸出電壓產(chǎn)生較大的波形畸變。因此，分析電感電流連續(xù)和斷續(xù)工作時的電路關系是十分必要的。

首先求出電感電流連續(xù)時的占空比表達式。以正半周工作為例，電感電流連續(xù)工作時，如圖1所示，雙Buck半橋逆變電路只有模態(tài)1和模態(tài)2兩種模態(tài)，穩(wěn)態(tài)工作時，輸入輸出之間的關系是線性的。有如下表達式：

式中，Ud為直流輸入電壓；Uo逆變輸出電壓的開關周期平均值；Dccm為逆變器的電感電流連續(xù)工作時的穩(wěn)態(tài)占空比。

而電感電流斷續(xù)工作時，電路還存在第三種模態(tài)，如圖1（c）所示，此時電感電流斷流，只有電容對負載傳輸能量。

圖1 雙降壓半橋逆變器存在的3種模態(tài)

電感電流斷續(xù)時，如圖2所示，二號實線為斷續(xù)電感電流，IL為電感電流開關周期平均值（在正半周時IL=IL1，負半周則IL=IL2），對應的占空比為斷續(xù)模式占空比Ddcm；一號虛線為連續(xù)電感電流，對應占空比為Dccm；三號虛線為臨界電感電流，ILb為臨界電感電流平均值，對應的占空比為臨界模式占空比Dbccm，此時它的峰值為2ILb。

圖2 DCM時的IL與ILb的關系

由于電感電流連續(xù)時，穩(wěn)態(tài)工作時的占空比Dccm的求解條件與臨界模式占空比Dbccm的近似相同，因此有Dccm≈Dbccm。

根據(jù)三角的比例與面積關系可得，電感電流斷續(xù)時的占空比與臨界時的占空比的關系表達式如下：

則電感電流斷續(xù)時的占空比為

其中，臨界電感電流可由下式求得

式中，Uo_ref為指令逆變輸出電壓；L為電感值，L1=L2=L；fs為開關頻率。

可以看到，電感電流斷續(xù)時的占空比與臨界時占空比之間存在一個系數(shù)關系，而這個系數(shù)是個非線性的。通過這個表達式，可以通過求出ILb，采樣得到IL，以及電感電流連續(xù)時的穩(wěn)態(tài)占空比Dccm，即可得到斷續(xù)工作模式時的占空比Ddcm。

1.2 基于CCM/DCM混合控制算法的雙環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖3所示，該閉環(huán)控制系統(tǒng)為電壓電流雙環(huán)控制與混合控制模式結合。在系統(tǒng)判定電感電流連續(xù)時，即當|IL|≥|ILb|時，電路進行正常的雙環(huán)控制；而在系統(tǒng)判定電感電流斷續(xù)時，即當|IL|≤|ILb|時，電路同樣進行雙環(huán)控制，閉環(huán)輸出的占空比通過非線性的映射關系得到最終的占空比控制量。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由于前文推導出來的占空比解析解，與電感感量和電感電流，輸出電壓等關系密切。然而因為電路參數(shù)分散性，無法精確獲得上述數(shù)據(jù)，所以本文中電感電流采用采樣值疊加上電壓誤差反饋作為補償量，從而可以減少電流采樣值與實際值之間的誤差。

2 實驗驗證

2.1 仿真實驗結果分析

仿真所用參數(shù)為：輸入直流母線電壓Ud為360V，逆變電壓輸出為220V/50Hz，額定功率為1000W，Cf=12μF，L1=L2=1500μH，開關頻率為20kHz。

仿真采用PSIM電力電子仿真軟件。為作對比分析，圖4為雙降壓半橋逆變器半周期SPWM調制時，采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器，負載分別為滿載，半載和空載的仿真波形。

圖4 采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器仿真波形

可以看到，在各種負載情況下的逆變輸出均有一定畸變，這些畸變均在電感電流斷續(xù)工作時引起。其THD分別為10.2%（滿載）、7.7%（半載）和10.06%（空載）。

圖5 采用混合控制策略的仿真波形

圖5 （a）為采用混合控制策略時的uo、io、uA和uB的仿真波形。由仿真波形可見，逆變輸出電壓正弦度高（滿載時的THD為0.9%），沒有了半周期SPWM調制的波形畸變問題。圖5（b）為對應的兩個開關管占空比Ds1和Ds2，以及占空比Dccm，斷續(xù)與連續(xù)的判斷標志Flag?？梢?，在Flag=0時，電感電流連續(xù)，正半周時有Ds1=Dccm，負半周有Ds2= Dccm。而在Flag=1時，電感電流斷續(xù)期間，實際占空比與Dccm呈一定的非線性關系。

2.2 實驗結果分析

實驗樣機控制器采用TI的TMSF28069。實驗用功率管為英飛凌的K15H1203，二極管為RHRP8120超快恢復二極管。直流母線電壓Ud為180V，逆變輸出電壓為110V/50Hz，額定功率為250W。其他實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

首先對半周期PWM控制時，采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器進行實驗。圖6為采用HC-SPWM時的雙環(huán)PI控制，可以看到存在的明顯的波形畸變問題。其THD分別為16.6%（滿載）、13.8%（半載）和30.4%（空載）。

圖6 采用HC-SPWM雙環(huán)PI控制的實驗波形

圖7 所示是采用本文所提的混合控制策略，但未加入電流補償時帶載波形（滿載），其THD為7.2%，由于電感電流采樣存在誤差，直接使用式（4）的控制結果，仍然存在輸出電壓波形畸變，所以輸出電壓仍存在一定的畸變。

圖7 未加入電流補償項的滿載實驗波形

圖8 所示是加入了電流補償?shù)幕旌峡刂撇呗缘膶嶒灢ㄐ危鞣N負載情況下THD值分別為2.8%（滿載）、2.4%（半載）和1.1%（空載）。如圖9為在各種負載下輸出電壓的THD曲線，可以看到，輸出電壓在整個功率范圍內均有較低的諧波畸變。

最后本文針對所提出的控制策略與全周期SPWM控制策略進行效率上的對比。如圖10所示，可以看到在整個功率范圍內，本文所提出的混合PWM控制策略其效率均優(yōu)于傳統(tǒng)的全周期SPWM控制策略。

圖8 加入電流補償項的實驗波形

圖9 THD曲線

圖10 效率曲線

3 結論

本文針對雙Buck逆變器采用恒頻半周期SPWM控制存在的波形畸變問題，進行了原理分析，并推導出電感電流連續(xù)和斷續(xù)情況下占空比的非線性映射關系。仿真實驗表明所推導的理論和所提出的混合控制算法是有效的。在實物樣機制作與調試過程中，引入電壓誤差前饋補償，解決了由于采樣誤差導致的控制效果偏差問題。最終實驗結果表明所采用的方案，能有效克服輸出電壓畸變問題，同時由于開關頻率恒定，所以比典型的電感電流滯環(huán)控制的適應面更廣。

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Hybrid PWM Control Strategy Research for Dual-Buck Half-Bridge Inverter

Nian Ping Lin Qiongbin
(Fuzhou University, Fuzhou 350116)

The paper study a novel PWM control strategy in dual buck half bridge inverter topology. The circuit control mode of this PWM control strategy is determined by judging the working state of the inductance. In the continuous current mode (CCM), the inverter adopt voltage outer loop and current inner loop control mothod.And in the discontinuous current mode (DCM), through the analysis of mapping relationship between the discontinuous current duty ratio and continuous one, which makes makes the inverter can be a good control of the output voltage tracking a given value in linear or strong nonlinear operation mode under dual loop control method. The waveform distortion of dual buck inverter under half cycle modulation is greatly reduced.

dual buck half bridge inverter; half cycle modulation; hybrid control; waveform distortion

念 平（1990-），男，福建平潭人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子控制技術。