BoostPWMDCDC變換器的正弦波逆變器的工作原理與控制方式

1、摘要：介紹了采用BoostPWMDC/D變換器的正弦波逆變器的工作原理與控制方式，這是一種新型的正弦 波逆變器。關(guān)鍵詞：升壓；DC/DC變換器；正弦波逆變器1 引言傳統(tǒng)的電壓型逆變器只能降壓，不能升壓。要升壓就必須采用升壓變壓器，或在直流電源與逆 變器之間串入Boost DC/DC變換器。這對于應(yīng)用于 UPS及通信振鈴電源的低頻逆變器來說，將會使電源 的體積重量大大增加。而采用新型的BoostPWMDC/D變換器組成的逆變器，將會很簡單地實(shí)現(xiàn)升壓逆變。 如果在一個周期內(nèi)不斷地按著正弦規(guī)律改變載波周期內(nèi)的占空比D就可以輸岀電壓成為正弦波。2 Boost變換器的升壓特性BoostPWMDC/DC變

2、換器具有優(yōu)越的無級升壓變壓功能，因此，可以把它直接應(yīng)用于需要升壓變壓的高開關(guān)頻率PWMfe壓型逆變器中。Boost變換器電路如圖1 (a)所示。假定開關(guān) S的開關(guān)周期為T,開通時間為ton=DT關(guān)斷時間 為tof=(1 D)T而D=ton/T=01為開通占空比，(1 D)=ton/T為關(guān)斷占空比。Boost變換器有兩個工作 過程。1 )儲能過程在S開通期間ton為電感L的儲能過程，其等效電路如圖1 ( b)所示。S開通，輸入電路被S短路，輸入電流i 1使電感L儲能，加在L上的電壓為電源電壓 US，電壓方向與電流方向相同。 由電磁感應(yīng)定律得在ton期間，L中的電流增量為2)放能過程在S關(guān)斷期間t

3、off，為電感L的放能過程，其等效電路如圖 1 ( c)所示。S關(guān)斷，D 導(dǎo)通，電源與輸岀電路接通，電感 L放能，加在L的電壓為輸岀電壓 U與電源電壓US之差(U IS), 電壓方向與電流i 2的方向相反。由電磁感應(yīng)定律得在toff期間，L中的電流減小量為電路穩(wěn)定后， I 1on = | I 2off |ih zih所以 E DT= £(1 DT； US=(1 D)U=一 1 一故輸岀輸入電壓變比(1)Boost變換器的工作波形如圖1 (d)所示，可以看出：輸入電流 ii是連續(xù)的，輸出電流i2是斷 續(xù)的。ii連續(xù)是因?yàn)檩斎腚娐酚?L的存在。作出M=f(D)的關(guān)系曲線如圖1 (e)所示

4、。由于D=01,所以，說明Boost變換器只能升壓，不能降壓。(3rrrt(a)原理電路(b)儲能等效電路(d)波形圖(e) M=f(D)曲線圖1Boost變換器電路的工作波形及M=f(D)曲線3 Boost逆變器的構(gòu)成對于UPS或交流電動機(jī)驅(qū)動用的逆變器，要求它必須能夠雙向四象限工作，所以，應(yīng)將BoostDC/DC變換器改進(jìn)成雙向變換器。所謂雙向變換器，就是功率既可以從輸入端流向輸出端，也可以從輸 岀端流向輸入端。為此，必須要解決電流反向流通的問題。最簡單的解決辦法是在原電路的三極管上反 并聯(lián)一只二極管，在原電路的二極管上反并聯(lián)一只三極管，三極管和二極管共同組成兩個反向?qū)ǖ拈_ 關(guān)S和So

5、S和S按互補(bǔ)方式工作。這樣，不僅保證了正反向電流的流通，而且也不使等效電路的工作 過程發(fā)生變化。改進(jìn)后的電路如圖2 (a)所示，圖2 ( b)為雙向Boost變換器的M=f(D)曲線。當(dāng)功率*三_!_由US輸送到U時，變換器工作在 Boost狀態(tài)，。當(dāng)功率由u輸送到US時，變換器工作在 Buck狀態(tài)，M=1 D。所謂S與S互補(bǔ)工作，即在 DT期間S開通，S關(guān)斷，在(1 - D) T期間S開通，S關(guān)斷根據(jù)變換器變比的定義，當(dāng) US為電源U為負(fù)載時，變比M=S稱為正向變比。當(dāng)Uo為電源US為負(fù)tA丄載時，變比M=；稱為反向變比。兩者之間的關(guān)系為 M=*。令互補(bǔ)占空比D=1 -D,則1 D=D,因此

6、，Boost變換器的變比 M=l - "，M=1 D=C00 2S 0 50 75 k 0(a)雙向Boost變換器電路(b) M=f(D 曲線圖2雙向Boost變換器的原理電路及其 M=f( D)曲線用圖2 (a)所示的Boost雙向變換器構(gòu)成的雙向四象限Boost逆變器如圖3 (a)所示，圖3 ( b)為雙向四象限Boost逆變器的M=f (D)曲線。Boost逆變器是用兩個雙向 Boost變換器，共用一個電源US， 在電源的負(fù)極上下對稱地并聯(lián)起來構(gòu)成的。負(fù)載電阻R以輸岀差動的形式連接電路中。逆變器的4個開關(guān)工作在如圖3 (a)所示的互補(bǔ)方式，由電源US通過上下兩個雙向變換器向負(fù)

7、載R供電。當(dāng)上面的雙向變換器變比為 M =(D)時，下面的雙向變換器的變比即為M =(D)，D=1-Do這樣，逆變器a點(diǎn)的電壓u，b點(diǎn)的電壓 u=M us，負(fù)載r上的電壓uL=ua-ub=M, us-M us=us( M - M)。根據(jù)變比的 定義，逆變器的變比 m=“=M - M o1J對于Boost逆變器，M = I 和，M =1/D,所以1 丄號_1M=M - M=，川-小(2)作岀孕-1Xi -說與D的關(guān)系曲線如圖3 (b)所示"cl(a)Boost逆變器電路(b)M=f (D)曲線圖3Boost雙向四象限逆變器及其 MFf(D»曲線4 Boost逆變器的PWM控制

8、法Boost逆變器的PWM控制法大約有5種，即SPW控制法，滑?？刂品?Sliding modecontrol ), 電壓跟蹤控制法，函數(shù)控制法(Function control )和離散變量控制法。它們各有特點(diǎn)，適合于不同用 途的Boost逆變器。但應(yīng)用較多的是前三種控制法。4.1 SPWM控制法適合于Boost逆變器的SPWM控制法有三種形式，即二階 SPW控制、三階SPW控制，三階交互 式SPWM控制。二階spwM控制Boost逆變器的二階SPWM控制電路如圖4 (a)所示，圖4( b)為工作波形圖。逆變器的左臂變換器按圖3( b)中的曲線工作，變比1M = I；右臂變換器按圖3 ( b

9、)中的曲線工作，變比M'=I1 I 21J；逆變器按圖3 ( b)中的曲線工作，變比 M=M' - M = |-廳=。由圖4 (b),采樣點(diǎn)a和b的方程為式中：Tc為載波三角波周期；Z =U/U為調(diào)制比；Ow pw Tc/2 ;k=1，2，3，沖2 ;N為載波比三firn（a）原理電路（b）工作波形圖圖4Boost逆變器的二階SPWM控制電路脈沖寬度"山3"占空比“山心耐D的值不是隨意給定的，只與變比 M有關(guān)。因此，D的實(shí)際應(yīng)用值只能從圖 3（ b）中的曲線求出。根據(jù)已知的Us和U-值，算出變比，由M在曲線上查出占空比 D的值，逆變器的D工作區(qū)間則為（1-D

10、）D逆變器輸出電壓ul的傅里葉級數(shù)表示為式（3）山*巴；"“加門（3）三階SPWM控制法Boost逆變器的三階SPWM控制電路如圖5 (a)所示，圖5 ( b)為工作波形圖。為了滿足左右臂 變換器中兩個開關(guān)的互補(bǔ)工作，采用了左右臂相位參差調(diào)制法。即采用兩個相位相反而幅值相同的正弦 調(diào)制波，與一個載波三角波進(jìn)行比較，得到兩個相位相反的二階SPWM波去分別控制左右臂變換器，在電容C和C2上分別得到電壓Ua和Ub，用Ua Ub即可得到電壓UL的三階SPW輸出電壓。左臂 C上電壓U 由S和S產(chǎn)生，右臂 G上電壓Ub由S和S產(chǎn)生，左右兩臂變換器工作在互補(bǔ)狀態(tài)。當(dāng)左臂的占空比為 D時，右臂的占空

11、比則為 D=1 Do0>n0(b)工作波形圖圖5Boost逆變器的三階SPWM控制電路對于左臂，開關(guān)S和S互補(bǔ)工作，調(diào)制波為u=sin 3 (kTc + p)是正相位，采樣點(diǎn)a和b的方程式占空比4*洛“血（W.*?>對于右臂，開關(guān)S2和S互補(bǔ)工作，調(diào)制波為u=-sin 3 (kTc + p)是反相位，采樣點(diǎn)a'和b' 的方程式為占空比D=Si 1 -山)擊 + 計(5)則 1_ e ： 1+ 山街,+ » =： 1 - 山=D這說明左右兩臂變換器的占空比滿足D=1 D,兩臂相互之間也工作在互補(bǔ)狀態(tài)，即左臂變換器按圖3 (b)中曲線工作；右臂變換器按圖3 (

12、b)中曲線工作；逆變器按圖 3 (b)中曲線工作。占空比D的值應(yīng)由M來確定。當(dāng)已知IS和U的值時，M=®U/LS，由圖3( b)曲線查出與M對應(yīng)的占 空比D的值。D的工作區(qū)間為(1_ D)D。由圖5 (b)及文獻(xiàn)1可知u- tt/iUoV V Ma “凱F +a : / _ ( 6)由式(6)和式(3)比較可知，采用三階 SPWM控制法比兩階SPWI控制法，具有更小的諧波含4.1.3三階交互式SPW控制Boost逆變器的三階交互式 SPWM控制電路如圖6 (a)所示，圖6 (b)為工作波形圖。這種控制 方式的特點(diǎn)是，逆變器的左臂工作在UL的正半周，右臂工作在 UL的負(fù)半周，左右臂交互

13、工作，即可使逆變器輸出一個完整的電壓 Ul波形。Ul的傅里葉級數(shù)表示式與式(6)相同。占空比D的確定，及D工作 區(qū)間(1_ DD的確定，也與三階 SPWM控制法相同。實(shí)際上，三階交互式 SPW控制法是三階SPWM控 制法的變形。4X25(a)原理電路(b)工作波形圖Boost逆變器的三階交互式 SPWM控制電路4.2 滑模控制法滑?？刂品ㄟm合于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，滑模變結(jié)構(gòu)控制理論產(chǎn)生于上世紀(jì)50年代，現(xiàn)在已發(fā)展成為一種完備的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。這種控制法實(shí)質(zhì)上是一種用高頻開關(guān)控制的狀態(tài)反饋系統(tǒng)。滑?？刂频奶?點(diǎn)是穩(wěn)定性好，魯棒性（Robustness ）強(qiáng)，動態(tài)性能好，實(shí)現(xiàn)容易?；？刂频脑硎抢酶?/p>

14、速切換的開關(guān)控制，把受控的非線性系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡，引向一個預(yù)先 指定的狀態(tài)平均空間平面（滑模面）上，隨后系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡就限定在這個平面上。滑?？刂葡到y(tǒng)的設(shè) 計有兩個方面：一是尋求滑模面函數(shù)，使系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動逐漸穩(wěn)定且品質(zhì)優(yōu)良；二是設(shè)計變結(jié)構(gòu) 控制，使系統(tǒng)可以由相空間的任一點(diǎn)在有限的時間內(nèi)達(dá)到滑模面，并在滑模面上形成滑?？刂茀^(qū)。Boost逆變器的滑?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖 7所示，u是逆變器的輸岀電壓；Ul為低通濾波器的輸 出電壓（即負(fù)載電壓）；Ul '是負(fù)載電壓U-的一階導(dǎo)數(shù)；u為基準(zhǔn)正弦電壓；Ur '為Ur的一階導(dǎo)數(shù)；u 是控制變量，u為高電平時，代表u最大，u是為低電平時，代

15、表 u最??；K, Kl分別是加權(quán)數(shù)，即 反饋增益；b為開關(guān)控制律。控制電路由開關(guān)控制律形成電路和邏輯判斷與觸發(fā)電路兩部分組成。開關(guān)控制律如式（7）所示b=K(Ur UL) + K2( Ur - Ul) >0( 7 )幵關(guān)控制憚那成舊路 1Boost逆變器的滑?？刂葡到y(tǒng)框圖當(dāng)g >0時，控制量u為咼電平，代表U-為U最大；當(dāng)b <0時，控制量u為低電平，代表u 為u最小。用滑?？刂品ǖ腂oost逆變器，動態(tài)性能好，系統(tǒng)具有降階性和魯棒性?；？刂茖儆谀繕?biāo)控 制法，可以預(yù)先構(gòu)造閉環(huán)特性，適用于動態(tài)性能要求高的Boost逆變器。4.3 函數(shù)控制法函數(shù)控制法的工作原理是：首先用開關(guān)函

16、數(shù)表示岀主電路電子開關(guān)的通斷作用，得岀其等效電 路，并找岀包含最重要控制信息的主電路動態(tài)方程式，寫岀開關(guān)函數(shù)與主電路變量之間的函數(shù)關(guān)系。然 后在控制電路中再加入誤差放大環(huán)節(jié)，并滿足約束條件，從而導(dǎo)岀開關(guān)函數(shù)與控制電路變量之間的函數(shù) 關(guān)系，即得到系統(tǒng)的函數(shù)控制律。對于 Boost逆變器有V好請躊計養(yǎng)1(8)式中：S動態(tài)開關(guān)函數(shù)是逆變器的輸入控制量；u a，Ub為逆變器a點(diǎn)和b點(diǎn)的電壓；i 1，i2為流過電感Li和L2的電流。函數(shù)控制Boost逆變器框圖如圖8所示。圖中X是逆變器的中間輸出量，也是控制電路的中間 輸入變量。函數(shù)控制逆變器的特點(diǎn)是系統(tǒng)絕對穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，無過沖與超調(diào)，能完全抑制電源

17、電壓 U及負(fù)載阻抗大，小信號擾動的影響，輸岀電壓Ul與Boost逆變器參數(shù)無關(guān)，能適應(yīng)各種性質(zhì)的負(fù)載，但實(shí)現(xiàn)比較困難。圖8Boost逆變器的函數(shù)控制系統(tǒng)框圖4.4 離散控制法離散控制法通過選擇適當(dāng)?shù)姆答佔(zhàn)兞康碾x散采樣值，諸如輸岀電壓ul的離散采樣值ul (nT);電感電流離散采樣值i1( nF和i2( nT)；輸出電流離散采樣值i l( nT)；預(yù)估控制約束條件為UU甘一U=kU（式中nT表示離散時間，T為開關(guān)周期）。人為地構(gòu)造岀控制律，以便抑制輸入及負(fù)載擾動對輸 岀電壓的影響，獲得比較理想的輸岀特性。離散控制法Boost逆變器主電路的離散分析相當(dāng)復(fù)雜，離散量控制律的實(shí)現(xiàn)也十分麻煩，預(yù)估 值需

18、按經(jīng)驗(yàn)確定，故在應(yīng)用中有一定限制。4.5 電壓跟蹤控制法Boost逆變器采用電壓跟蹤的原理電路如圖9所示?？刂齐娐防脺h(huán)比較的方式，使Boost逆變器的輸岀電壓，快速不停地跟蹤一個基準(zhǔn)正弦波電壓，即利用逆變器的左臂跟蹤正半周電壓，右臂跟 蹤負(fù)半周電壓，兩臂輪流跟蹤就能夠得到一個完整的正弦波電壓。圖9Boost逆變器采用電壓跟蹤控制的原理電路框圖基準(zhǔn)正弦波電壓，是由控制電路中的基準(zhǔn)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的，為了控制左右臂變換器輪流跟蹤，還需要一個與基準(zhǔn)正弦波電壓同相位的方波電壓，用此方波電壓的正負(fù)半周來切換左右兩臂變換器 的跟蹤。逆變器各臂的功率輸岀，首先是利用Boost高速開關(guān)把直流電能變換成電感能，然后再把電感能轉(zhuǎn)移到濾波儲能電容 C （或C）和負(fù)載上。電感能向電容C （或C）和負(fù)載的轉(zhuǎn)移如式（9）=As （9）式中：i l為流過Li （或L2）的電流;Uc為G （或C）上的電壓；P為負(fù)載消耗的功率瞬時值； t為轉(zhuǎn)移周期。在時間 t如果引起電