混合調(diào)制單相Cuk集成式升壓逆變器研究

胡茂，秦嶺，，謝少軍，王亞芳，羅松

（1.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

混合調(diào)制單相Cuk集成式升壓逆變器研究

胡茂1，秦嶺1，2，謝少軍2，王亞芳1，羅松1

（1.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

為滿足低輸入電壓逆變場合的要求，提出了一種混合調(diào)制單相Cuk集成式升壓逆變器。該逆變器通過復(fù)用功率器件，將Cuk變換器和傳統(tǒng)全橋逆變器集成在一起，并通過混合調(diào)制同時實現(xiàn)逆變器直流電壓泵升和輸出電壓正弦化。相對于其他單級式升壓逆變器，其在拓撲簡潔度、控制難易度和電壓泵升能力等方面均呈現(xiàn)一定優(yōu)勢。介紹了混合調(diào)制策略的工作原理，給出了集成式升壓逆變器的拓撲構(gòu)成；詳細分析了該逆變器的工作原理，并推導(dǎo)了輸入、輸出電壓傳輸比；通過一臺500 W/20 kHz的原理樣機仿真驗證了該集成式升壓逆變器的可行性及理論分析的可行性。

單級式逆變器；升壓逆變器；Cuk變換器；混合調(diào)制

目前，逆變器被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）、不間斷電源（UPS）等應(yīng)用場合［1-3］。由于光伏陣列的輸出電壓受光照強度、環(huán)境溫度的影響大范圍波動，而燃料電池或蓄電池組的輸出電壓一般較低，所以在這些場合逆變器需要具有升壓能力，以使其在較低輸入電壓時仍能輸出穩(wěn)定的交流電能。

采用具有升壓能力的DC-DC變換器（如Boost變換器、Boost-Buck變換器等）與全橋逆變器級聯(lián)，可以很方便地實現(xiàn)升壓逆變［4-5］。該類逆變器的優(yōu)點是升壓電路與逆變器各自獨立運行，控制方便；然而，由于其變換級數(shù)多，功率器件和濾波元件數(shù)量較多，容易出現(xiàn)級聯(lián)穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可靠性較差。為了減少元器件數(shù)量，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，越來越多的學(xué)者開始將研究目光轉(zhuǎn)向單級式升壓逆變器。目前，單級式升壓逆變器主要有:電流型逆變器、Z源逆變器、差動式逆變器、有源升降壓逆變器等。

電流型全橋逆變器具有升壓特性，然而其存在難以克服的固有缺陷，如:器件數(shù)量多，電壓應(yīng)力大、輸出電流波形畸變等［6-8］。Z源逆變器具有單級升/降壓能力，允許直通狀態(tài)，可靠性較高［9］。然而，Z源逆變器存在儲能元件數(shù)量較多、控制較復(fù)雜（有直通占空比和調(diào)制比2個控制變量）、電壓增益有限，啟動沖擊電流大、電容電壓應(yīng)力高等諸多缺點［10］。差動式升壓逆變器采用2個對稱的雙向DC-DC變換器（如Boost變換器、Buck-Boost變換器等），通過全周或半周期調(diào)制，使2個雙向變換器各輸出1路相差180°帶直流偏置的交流電壓，經(jīng)差動輸出得到正弦交流電壓［11］。然而，該類逆變器成本和體積均較大，且存在較大的直流分量，很難兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，易導(dǎo)致輸出波形左右不對稱。湯雨等學(xué)者提出的有源升降壓逆變器由傳統(tǒng)全橋逆變器與Boost AC/AC變流器構(gòu)成，兩者共用電感與電容。該逆變器可以實現(xiàn)逆變與升壓，且具有電感、電容元件數(shù)量少的優(yōu)點。但是，其開關(guān)管數(shù)量較多（8個），增益不足且控制較復(fù)雜［12］。

為簡化逆變系統(tǒng)的拓撲架構(gòu)，提高集成度，本文提出了一種采用混合調(diào)制的Cuk集成式升壓逆變器，通過共用功率開關(guān)管，將Cuk變換器和傳統(tǒng)全橋逆變器集成在一起。該拓撲具有集成式逆變器在拓撲簡潔度、電壓泵升能力等方面的優(yōu)勢，為低輸入電壓逆變場合提供了一種行之有效的拓撲選擇。

1 混合調(diào)制

與傳統(tǒng)的單極性調(diào)制（包括單極倍頻調(diào)制）和雙極性調(diào)制方式不同的是，混合調(diào)制方式中包含3個相關(guān)信號:SPWM調(diào)制信號Sspwm、交流電壓正負極性判定信號Sp和直流母線升壓調(diào)制信號Sboost。其中，Sspwm為單極性SPWM信號，主要用于調(diào)制逆變器，使得輸出電壓正弦化，該信號可以通過傳統(tǒng)的單極倍頻調(diào)制電路調(diào)整后得到。Sboost用于確保將輸入電壓抬升至滿足逆變條件的直流母線電壓，在混合調(diào)制方式中，Sboost將直接影響逆變器的升壓能力，當Sboost＜0.5時，逆變器升壓部分將工作在降壓模式，此時逆變器的直流增益將小于2；當Sboost＞0.5時，直流增益將始終大于2。此外，值得注意的是，Sspwm和Sboost的開關(guān)周期相等，即逆變器輸出電壓的開關(guān)周期。

由SPWM調(diào)制信號和直流母線升壓調(diào)制信號，結(jié)合交流電壓正負極性判定信號，進一步進行邏輯運算可以得到逆變器最終需要的混合調(diào)制信號。圖1為對應(yīng)的調(diào)制信號邏輯框圖。

圖1 混合調(diào)制信號邏輯電路Fig.1 Logical circuit of mixed modulation signal

表1給出了逆變器驅(qū)動信號導(dǎo)通情況。表中，“1”表示開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，“0”，表示開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。結(jié)合該開關(guān)時序，可分析得出逆變器的工作原理和特性。

表1 開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)Tab.1 The conducting state of switches

2 單相Cuk集成式升壓逆變器

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

圖2給出了單相Cuk集成式升壓逆變器的電路結(jié)構(gòu)，其由Cuk變換器演變而來，通過復(fù)用全橋逆變器的下開關(guān)管的體二極管(DS2,DS4)以及上開關(guān)管（S1，S3），實現(xiàn)了Cuk變換器和全橋逆變器的集成，將原本由2級功率變換實現(xiàn)的功能由一級功率變換實現(xiàn)。可以看出，與傳統(tǒng)的全橋逆變器相比，其只增加了2個防反二極管（D1，D2）、1個升壓電容（C1）和2個升壓電感（L1，L2），且僅采用混合調(diào)制，就能同時實現(xiàn)直流電壓泵升和逆變功能。因此，該逆變器具有效率高、集成度高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡潔、成本低等優(yōu)點。

圖2 主電路拓撲Fig.2 The main circuit topology

2.2 工作原理

基于混合調(diào)制方式，可對本文提出的集成式升壓逆變器的工作原理展開如下分析。

對于逆變器，其正弦調(diào)制波的正、負半波內(nèi)工作過程是相似的，這里以正半波內(nèi)的1個開關(guān)周期為例進行分析。

為了簡化分析，首先假設(shè)逆變器工作已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)，并符合以下條件:1）所有功率管、電感、電容均為理想元件；2）輸出濾波電感Lo足夠大，其電流在1個開關(guān)周期內(nèi)基本恒定，故可等效為恒流源Io；3）電容C1，C2足夠大，其端電壓UC1和UC2近似為恒定，故可等效為恒壓源；4）升壓電感工作在連續(xù)模式；5）n0點的電位為零。相應(yīng)的，在正半周的每個開關(guān)周期內(nèi)，逆變器的工作均可以分成3個模態(tài)，其主要波形如圖3所示。

圖3 主要波形Fig.3 Main waveforms

每個工作模態(tài)對應(yīng)的等效電路如圖4～圖6所示。

考慮逆變器的調(diào)制信號Sspwm和Sboost分別決定了逆變器直流母線電壓增益和逆變調(diào)制比，故可基于疊加原理分析逆變器的工作原理，即將逆變器的工作分解成Cuk升壓和全橋逆變2個過程，分別予以分析，然后進行疊加。基于該思想，圖4所示的模態(tài)1等效電路可相應(yīng)地拆為2個部分，如圖4b和圖4c所示。圖4a中開關(guān)管S1～S4的電流，可以視為圖4b和圖4c中的相應(yīng)電流分量之和，即:

式中:iSk1(t),iSk2(t)分別為各個開關(guān)管的Cuk升壓分量和全橋逆變分量。

同理，可對模態(tài)2和模態(tài)3做同樣處理。

1）模態(tài)1:t0—t1（等效電路如圖4a所示）。

該模態(tài)內(nèi)，對于Cuk升壓部分，二極管D1導(dǎo)通，輸入電感L1承受電源電壓，電感電流iL1(t)線性增長。同時，由于電容C2放電，輸出電感L2的電流iL2也在線性增長。等效電路如圖4b所示。

對于全橋逆變部分，輸出電流Io由開關(guān)管S1，S4流過。等效電路如圖4c所示。

圖4 模態(tài)1等效圖Fig.4 The equivalent circuit in modal 1

2）模態(tài)2:t1—t2（等效電路如圖5a所示）。t1時刻，S4關(guān)斷，S3導(dǎo)通，到t2時刻，模態(tài)2結(jié)束。對于Cuk升壓部分，D1，D2導(dǎo)通，L1，L2仍承受正向電壓Uin和(UC2-UC1),電流iL1(t),iL2(t)繼續(xù)線性上升。等效電路如圖5b所示。

對于全橋逆變部分，輸出電流Io經(jīng)開關(guān)管S1和S3的體二極管續(xù)流。等效電路如圖5c所示。

圖5 模態(tài)2等效圖Fig.5 The equivalent circuit in modal 2

3）模態(tài)3:t2—t3（等效電路如圖6a所示）。

t2時刻，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，到t3時刻，模態(tài)3結(jié)束。下1個開關(guān)周期開始，重復(fù)上述過程。

在Cuk升壓部分，D1,D2導(dǎo)通，電流iL1(t),iL2(t)通過Ds2,Ds4續(xù)流，電感L1的儲能向電容C2轉(zhuǎn)移。此時L1,L2承受反向電壓(UC2-Uin)和UC1,iL1(t),iL2(t)線性減小。等效電路如圖6b所示。

平推平行移動式卡線器的拉環(huán)可打開夾嘴，導(dǎo)線從側(cè)面放入，拉緊拉環(huán)后上、下夾嘴可夾持導(dǎo)線。簡化的平行移動式卡線器機構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出，卡線器實質(zhì)為一個四連桿機構(gòu)。拉環(huán)受到橫向拉力F0，該拉力通過四連桿機構(gòu)傳遞并轉(zhuǎn)化為夾嘴對導(dǎo)線施加的正壓力FN。四連桿機構(gòu)起到放大力的作用。

對于全橋逆變部分，輸出電流Io經(jīng)開關(guān)管S4和S2的體二極管續(xù)流。等效電路如圖6c所示。

圖6 模態(tài)3等效圖Fig.6 The equivalent circuit in modal 3

值得注意的是，此處的工作原理分析僅針對逆變器工作在升壓電感電流連續(xù)狀態(tài)。當逆變器負載極低時，升壓電感電流將存在模態(tài)3拆分斷續(xù)的情況，此時對應(yīng)逆變器的工作模態(tài)需將在上述的分析基礎(chǔ)上增加1個模態(tài)，由于此類斷續(xù)工作狀態(tài)一般較少存在，對變換器特性影響也不大，具體工作過程在此不再贅述。

3 電壓傳輸比

由圖3可知，逆變器開關(guān)周期為Ts（即t0—t3時間段），結(jié)合圖4b，圖5b，圖6b可以看出Cuk部分對升壓電感充電時間段為(t0—t2)，放電時間段(t2—t3)。此處定義升壓電感充電時間內(nèi)的占空比Dboost為

根據(jù)Cuk電路輸出電壓與輸入電壓的傳輸比關(guān)系，可得電容C1的端電壓UC1為

則逆變器直流母線電壓Udc，即UC2為

對于圖4c，圖5c，圖6c所示全橋逆變部分，逆變橋的輸出電壓Uo與直流母線電壓Udc滿足下式:

式中:Mspwm為逆變橋調(diào)制比，且滿足Mspwm＜Dboost。

可得逆變器的電壓傳輸比為

由式（23）可以看出，逆變器的電壓傳輸比G與調(diào)制比Mspwm和Cuk的占空比Dboost有關(guān)。G隨著Mspwm和Dboost的增大而增大，但同時受約束條件Mspwm＜Dboost的限制。

4 仿真驗證

為驗證本文所提出的基于混合調(diào)制策略的Cuk集成式升壓逆變器的可行性及其理論分析的正確性，搭建了1臺500 W/20 kHz的樣機進行仿真驗證，其設(shè)計指標如下:直流輸入電壓Uin= 105～170 V，輸出電壓Uo=110 V/50 Hz，濾波電感L1=5 mH，L2=1 mH，升壓電容C1=2 000μF，母線電容C2=2 000μF，S1～S2采用IPW60R041C6，D1和D2采用IDW30G65C5。

圖7、圖8分別給出了Uin=170 V和105 V時逆變器的直流母線電壓udc，輸出電壓uo，輸入電壓uin的仿真波形。其中，直流母線電壓環(huán)和交流輸出電壓環(huán)的基準分別為3.3 V和1.56 V，采樣系數(shù)均為0.01。

圖7a和圖8a分別對應(yīng)逆變器在輸入電壓為170V和105V時的直流母線電壓?？梢钥闯?，直流母線電壓udc在閉環(huán)控制下，平均值分別為330.11V和330.18 V，這表明系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了Cuk升壓。udc反映的是直流母線電壓從系統(tǒng)開機到電壓穩(wěn)定的全過程，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在6 s后進入穩(wěn)態(tài)，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定性該控制環(huán)的PI參數(shù)值偏低，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較長，且母線電壓的超調(diào)較高，這表明逆變器直流母線電壓控制環(huán)的控制器參數(shù)有待進一步優(yōu)化設(shè)計，進而降低系統(tǒng)超調(diào)和調(diào)節(jié)時間。

圖7b和圖8b分別對應(yīng)逆變器在穩(wěn)態(tài)時的輸入、輸出電壓仿真波形。其中，uin=170 V時uo的幅值為156.11 V；uin=105 V時uo的幅值為156.05V，此時表明系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了逆變功能，這些仿真結(jié)果與理論分析較好的吻合。

圖7 輸入電壓170 V時仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results when input voltage is 170 V

圖8 輸入電壓105 V時仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results when input voltage is 105 V

5 結(jié)論

本文基于新型混合調(diào)制策略提出了一種單相Cuk集成式升壓逆變器，該逆變器可有效應(yīng)用于分布式發(fā)電等低輸入電壓逆變場合。分析了逆變器的工作原理和穩(wěn)態(tài)特性，并給出了其輸入、輸出電壓傳輸比，最后通過500 W/20 kHz的樣機仿真驗證了方案的可行性。

理論分析和仿真結(jié)果表明:本文所提出的混合調(diào)制集成式升壓逆變器能同時實現(xiàn)升壓和逆變功能，且具有控制簡單、結(jié)構(gòu)簡潔，直流增益高等優(yōu)良性能，有較好的應(yīng)用前景。

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Study on Single Phase Cuk Integrated Step-up Inverter with Mixed Modulation

HU Mao1，QIN Ling1，2，XIE Shaojun2，WANG Yafang1，LUO Song1
（1.School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，Jiangsu，China；2.College of Automatic Engineering，Nangjing University of Aeronautics& Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China）

To be suitable for the requirement of low input voltage inversion applications，a novel single phase Cuk integrated step-up inverter with mixed modulation was proposed.The proposed inverter integrated the Cuk converter and the conventional full-bridge inverter by sharing power switching devices.Besides，it could achieve both the DC voltage pumping up and the output voltage sinusoidal through mixed modulation.Compared with other single-stage step-up inverters，it had the advantages of topological simplicity，control difficulty level and voltage pump capacity.At first，the operating principle of mixed modulation was illustrated，while the topology of the inverter was introduced，then the operation principles were analyzed in detail and the transfer ratio of input voltage and output voltage were deduced.At last，the validity and effectiveness of the proposed inverter have been verified by the simulation results of a 500 W/20 kHz prototype.

single-stage inverte；step-up inverter；Cuk inverter；mixed modulation

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170509

2016-04-26

修改稿日期：2016-10-18

國家自然科學(xué)基金（51207075）；江蘇省高校自然科學(xué)研究基金（15KJB470013）

胡茂（1990-），男，碩士研究生，Email:humao_1990@163.com