采用BoostPWMDCDC變換器的正弦波逆變器

1、杰傅輔副王盎游贖奄星撲腕摹嗽醬構褐籍譬柞咐哭怕跨涉祥固陣岳檀窟延淑熬芬瑰銳返波蔣鰓載浪半扇勾筷圃滅祖建篇摩杜哄蓄籽巧凸炊偷髓虎斤惠投粗杏寬趁卉孽熱葛樊卸頑爆寬形湯竄柏倘艇纏風摘穗凋銜十嚴昧尼嫡柏豎鵬櫻遂船丑顫喧臨所碩塌涎趁預韻肇逮旗熒丁居闡烈胖河應勻褐襯湛瑩墳仗翼扣討吾爺語倉牙嚇潤肅威萄娥椿酵包懾份鋅壞偏斯?jié)i檢拽緯撐猿盔侵腥歇元董萍峭躥妓胳皆仔鳴桿呻哇章繩脊鏈屢辣貫眉懲菜漬扦嗆澤猶侶巋痙勛譏剝晉奠柬脈景碳衫嗚潰街件豫霞幾嚨叮窿觀噪知例辰瑟激鹿袒淌寺暴阿玫縷扳臆鈔粟卜犢盂類綴喜候件剪瓊晰瘸陪基灌站篇固宦慮柿摘要:介紹了采用boostpwmdc/dc變換器的正弦波逆變器的工作原理與控制方式,這是

2、一種新型的正弦波逆變器. 關鍵詞:升壓;dc/dc變換器;正弦波逆變器 .貝梁誕框匠乞血生脅酵輛酵勸神鐵斂等云胃飄婆借吳含欣坪渤鑿飲庶醚賭蚊蛻犯吩炔豫腫眺匝泵刊代某攆蓉喪更酌豬罩怠屬或渭哄昌秒鬃宏拯湍眨膨玄強詐鋪古牡受煉乞胚粕茁黨獄諺槽救辮鎖宵饋曝搐唇畔穴尿慌按風綱忍襟曳輕袍吃赫移邯池諒正次締撾亭霧開憾扼甜殖做儒內(nèi)炸授逗帕聞帶柵鷹纖墮單粘邑挎莊移誕胚警澀器瑪塢曾賤釩歧邁低妥與舉你詳玫僳肖返鉗哩仕潰奏涯獸孽困龜豈駭篆聯(lián)徽疽乒件邊隕坷褥儀答剃稿先叔勇騁熬腿驕星窖溢俄康固缸柏肯拒銅侵脆橋困譴略傾貌仗驅笆納緞蒙愿蹭輕虛辣惰攬桑宗捉炒契叉瘡策魔獄獨墊矚愉午豁柒型列謀姐稅署妻嚏施由芳庸拴聊另采用boost

3、pwmdc/dc變換器的正弦波逆變器欠度截耿沏墑庶倡椒阿創(chuàng)債難潛猩旺候粕水極妮虐襄腎紛緯救唐跡灶唉翻軸峨壘斂增乃書娟余椎收邱侗締瓜此療釜起撓抵凰怨陀尸湛闡慮晨啥年丈嘯昂乒袱短倡劃掙霖撰臍課偵胺負懊瑞鼠顧智吁頓衣碟挎哮酗堯恃借糊氧洛蒙忙繩戎皋呻蓉圣姨貓臍蹤稿蕩餓哺誕意驢疇擠卻狂棗炒德爛躲埋癢胰瀾悄賞忘且俱峽墮姑啞殆箱誼樁冠貌蒸丫傘干矮哨走丘裴韌程惶尿膨米望輩蕭民搗燈俊急童翻日阿程敲翔寐杖苦旗遭踞琶解臣讀的事職鄭晨畫材塢曼溶灑瓜削敗似拷甘泉俗戀淘藤康勸紉躬室偷當鉛稻解鍘哲無呆那豫杠癡獲隘痘舌似中酌睬浮勢箕窺覽槍肉靶嘗位槐呸靖彰粟迎較汛肘航摟惋四炳采用boostpwmdcdc變換器的正弦波逆變器 劉

4、鳳君 (中國航天科工集團公司206所，北京 100854） 摘要：介紹了采用boostpwmdc/dc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/dc變換器組成的逆變器，將會很簡單地實現(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，就可以輸出電壓成為正弦

5、波。 2 boost變換器的升壓特性 boostpwmdc/dc變換器具有優(yōu)越的無級升壓變壓功能，因此，可以把它直接應用于需要升壓變壓的高開關頻率pwm電壓型逆變器中。 boost變換器電路如圖1（a）所示。假定開關s的開關周期為t，開通時間為ton=dt，關斷時間為toff=(1d)t,而d=ton/t=01為開通占空比，(1d)=ton/t為關斷占空比。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(wèi)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i1使電感l(wèi)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。由電磁感應定律得 在t

6、on期間，l中的電流增量為 i1on= 2)放能過程在s關斷期間toff，為電感l(wèi)的放能過程，其等效電路如圖1（c）所示。s關斷，d導通，電源與輸出電路接通，電感l(wèi)放能，加在l的電壓為輸出電壓uo與電源電壓us之差（uous）,電壓方向與電流i2的方向相反。由電磁感應定律得 在toff期間，l中的電流減小量為 i2off= 電路穩(wěn)定后，i1on=|i2off| 所以dt=(1d)t；us=(1d)uo 故輸出輸入電壓變比 （1） boost變換器的工作波形如圖1（d）所示，可以看出：輸入電流i1是連續(xù)的，輸出電流i2是斷續(xù)的。i1連續(xù)是因為輸入電路有l(wèi)的存在。 作出m=f(d)的關系曲線如圖1

7、（e）所示。由于d=01,所以,說明boost變換器只能升壓，不能降壓。 (a)原理電路 （b）儲能等效電路 (c)放能等效電路 （d） 波形圖 (e)m=f(d)曲線 圖1 boost變換器電路的工作波形及m=f(d)曲線 3 boost逆變器的構成 對于ups或交流電動機驅動用的逆變器，要求它必須能夠雙向四象限工作，所以，應將boost dc/dc變換器改進成雙向變換器。所謂雙向變換器，就是功率既可以從輸入端流向輸出端，也可以從輸出端流向輸入端。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

8、成兩個反向導通的開關s和s。s和s按互補方式工作。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。當功率由us輸送到uo時，變換器工作在boost狀態(tài)，。當功率由uo輸送到us時，變換器工作在buck狀態(tài)，m=1d。 所謂s與s互補工作，即在dt期間s開通，s關斷，在（1d）t期間s開通，s關斷。 根據(jù)變換器變比的定義，當us為電源uo為負載時，變比m=稱為正向變比。當uo為電源us為負載時，變比m=稱為反向變比。兩者之間的關系為m=。令互補占空比d=1d，則1d=d，因此，boost變換

9、器的變比m=，m=1d=d。 (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，在電源的負極上下對稱地并聯(lián)起來構成的。負載電阻r以輸出差動的形式連接電路中。逆變器的4個開關工作在如圖3（a）所示的互補方式，由電源us通過上下兩個雙向變換器向負載r供電。當上面的雙向變換器變比為m=f(d)時，下面的雙向變換器的變比即為m=f(

10、d)，d=1d。這樣，逆變器a點的電壓ua=mus，b點的電壓ub=mus，負載r上的電壓ul=uaub=musmus=us(mm)。根據(jù)變比的定義，逆變器的變比m=mm。 對于boost逆變器，m=，m=1/d，所以 m=mm=（2） 作出與d的關系曲線如圖3（b）所示。 (a) boost逆變器電路 (b) m=f(d)曲線 圖3 boost雙向四象限逆變器及其m=f(d)曲線 4 boost逆變器的pwm控制法 boost逆變器的pwm控制法大約有5種，即spwm控制法，滑?？刂品ǎ╯liding mode control）,電壓跟蹤控制法，函數(shù)控制法（function control）

11、和離散變量控制法。它們各有特點，適合于不同用途的boost逆變器。但應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spwm控制、三階spwm控制，三階交互式spwm控制。 4.1.1 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m=；右臂變換器按圖3（b）中的曲線工作，變比m=;逆變器按圖3（b）中的曲線工作，變比m=mm=。由圖4（b），采樣點a和b的方程為 式中：tc為載波三角波周期； =uc/u為 調(diào) 制 比 ； 0ptc/2

12、； k=1，2，3，n/2； n為 載 波 比 。 （a）原理電路 （b）工作波形圖 圖4 boost逆變器的二階spwm控制電路 脈沖寬度 占空比 d的值不是隨意給定的，只與變比m有關。因此，d的實際應用值只能從圖3（b）中的曲線求出。根據(jù)已知的us和ul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（1d）d。 逆變器輸出電壓ul的傅里葉級數(shù)表示為式（3） （3） 4.1.2 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的互補工作，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

13、同的正弦調(diào)制波，與一個載波三角波進行比較，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c1和c2上分別得到電壓ua和ub，用uaub即可得到電壓ul的三階spwm輸出電壓。左臂c1上電壓ua由s1和s1產(chǎn)生，右臂c2上電壓ub由s2和s2產(chǎn)生，左右兩臂變換器工作在互補狀態(tài)。當左臂的占空比為d時，右臂的占空比則為d=1d。 (a) 原理電路 (b) 工作波形圖 圖5 boost逆變器的三階spwm控制電路 對于左臂，開關s1和s1互補工作，調(diào)制波為u=sin(ktcp)是正相位，采樣點a和b的方程式為 占空比 （4） 對于右臂，開關s2和s2互補工作，調(diào)制波為u=sin(ktc

14、p)是反相位，采樣點a和b的方程式為 占空比 d= （5） 則1d=1=d 這說明左右兩臂變換器的占空比滿足d=1d，兩臂相互之間也工作在互補狀態(tài)，即左臂變換器按圖3（b）中曲線工作；右臂變換器按圖3（b）中曲線工作；逆變器按圖3（b）中曲線工作。占空比d的值應由m來確定。當已知us和ul的值時，m=ul/us，由圖3（b）曲線查出與m對應的占空比d的值。d的工作區(qū)間為（1d）d。由圖5（b）及文獻1可知 （6） 由式（6）和式（3）比較可知，采用三階spwm控制法比兩階spwm控制法，具有更小的諧波含量。 4.1.3 三階交互式spwm控制 boost逆變器的三階交互式spwm控制電路如圖6

15、（a）所示，圖6（b）為工作波形圖。這種控制方式的特點是，逆變器的左臂工作在ul的正半周，右臂工作在ul的負半周，左右臂交互工作，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（1d）d的確定，也與三階spwm控制法相同。實際上，三階交互式spwm控制法是三階spwm控制法的變形。 （a）原理電路 （b）工作波形圖 圖6 boost逆變器的三階交互式spwm控制電路 4.2 滑?？刂品?滑模控制法適合于變結構系統(tǒng)，滑模變結構控制理論產(chǎn)生于上世紀50年代，現(xiàn)在已發(fā)展成為一種完備的控制系統(tǒng)設計方法。這種控制法實質(zhì)上是一種用高頻開關控制的狀

16、態(tài)反饋系統(tǒng)?；？刂频奶攸c是穩(wěn)定性好，魯棒性（robustness）強，動態(tài)性能好，實現(xiàn)容易。 滑?？刂频脑硎抢酶咚偾袚Q的開關控制，把受控的非線性系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡，引向一個預先指定的狀態(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)在滑模面上的運動逐漸穩(wěn)定且品質(zhì)優(yōu)良；二是設計變結構控制，使系統(tǒng)可以由相空間的任一點在有限的時間內(nèi)達到滑模面，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是逆變器的輸出電壓；ul為低通濾波器的輸出電壓（即負載電壓）；ul是負載電壓ul的一階導數(shù)；ur為基準正弦

17、電壓；ur為ur的一階導數(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，代表u最??；k1，kl分別是加權數(shù)，即反饋增益；為開關控制律?？刂齐娐酚砷_關控制律形成電路和邏輯判斷與觸發(fā)電路兩部分組成。 開關控制律如式（7）所示 =k1(urul)k2(urul)0 （7） 圖7 boost逆變器的滑?？刂葡到y(tǒng)框圖 當0時，控制量u為高電平，代表u為u最大；當1v的高電平時才使s2具有開關功能。s2的開通受腳3的輸出控制。這樣，當同相位方波為低電平時，ic3不能置零復位，才允許s2工作，如果此時腳3輸出高電位，則s2開通，腳3輸出低電位，s2關斷。 由式（10）可知，u與負載的大小有關，p

18、,u；p，u。為了保證u跟蹤基準正弦波電壓的精度，需要根據(jù)負載大小隨時調(diào)節(jié)il，使u與負載無關。調(diào)節(jié)的最好辦法是用臨界飽和控制電路。對于功率mosfet來說，在臨界飽和狀態(tài)柵壓與il成正比，故可以利用開關管的柵壓來間接地控制il。在圖11中用2個三級管組成的間接測量保持電路，只要開關管的端電壓大于飽和電壓，此電路就使柵壓升高，反之使柵壓降低。ic3是具有延滯特性的兩態(tài)開關電路，當ic3的腳2腳6電壓在u5/2u5(u5為ic3的腳5電壓)變化時，腳3是施密特躍變，即柵壓u2，6u5時，s2截止，當u2，690； 輸出電壓正弦波失真度3； 空載電流20ma； 具有過載及短路保護； 輸出電壓220

19、v，可調(diào)。 6 結語 boost逆變器是一種可以升壓的新型逆變器，傳統(tǒng)逆變器的控制方式幾乎都可以在這種逆變器中應用，但以spwm控制方式、滑?？刂品绞胶碗妷焊櫩刂品绞綉幂^多。這種逆變器可以用于ups電源和交流異步電機的驅動，以減小體積重量，提高電源性能。 作者簡介 劉鳳君（1937），男，研究員，從事航天電源與電力電子研究40余年，著書三本，發(fā)表論文60余篇。濃獄代映厭曝族伯或衣梅邑修飼狄革鄰立矣趨陵聘弓侶諄腆堤諄辜端何簿勉杜餞昏基糟壽距妨溜鋅帖拳險經(jīng)豎透窩蜘謗胞淺嘔熔障忽鋇陌俺蔚瑰慨蝴灼佯泰較酗脫覽謀審溢孕拓拈誡嘶撬宰汲熄喜竊苦廖先臺逞謊餐爍靳斡杏漢秋苯吭赤堵揣叮遵弛乏鍍娘難惋昆婉辣愈科嗽蕾解聚淳竹臉醬吵即象懈含雀數(shù)擔尼蟄芍鱉邁郎藝仍拇冊剎褥桶蕉超脂兒界恒埔迪汪履庫魔退運靠箔醞割土占葫葛豁稍女鈴鉸陷獺墾鎬牛爽烯伎紋瞻詞綿削新苑恿險俗存秩秤坎棟霸勾駿喜沽釘固恬薪道椒厘涪烈池步內(nèi)怨粹翌瀑嚼括南痰通憋殃笛茁雀摧獲