基于電流滯環(huán)控制的雙降壓式逆變器輸出濾波器設(shè)計(jì)

基于電流滯環(huán)控制的雙降壓式逆變器輸出濾波器設(shè)計(jì)

0電流滯環(huán)控制理想的電壓源矩陣的輸出波形應(yīng)為零，即輸出濾波器在振幅頻率范圍內(nèi)，濾波的干預(yù)感為零，濾波的容量值為無限的?？蓪?shí)際上這是不可能的，因此輸出濾波器設(shè)計(jì)的好壞直接影響逆變器的電氣性能。具有固定開關(guān)頻率特性的PWM控制的逆變器輸出濾波器的設(shè)計(jì)已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)闡明電流滯環(huán)控制作為一種非線性電流控制器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和無條件穩(wěn)定等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但這種控制方式使逆變器的開關(guān)頻率不固定，變化的開關(guān)頻率給輸出濾波器的合理設(shè)計(jì)帶來很大的困難。文獻(xiàn)提及一種電流滯環(huán)控制逆變器輸出濾波器的設(shè)計(jì)方法,但該方法僅以減小電流紋波和減小開關(guān)頻率為目的,具有較大的局限性。半橋雙降壓式逆變器(簡(jiǎn)稱雙BUCK逆變器)是一種由兩個(gè)類似BUCK的變換器組成的半橋逆變電路，其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其具有橋臂功率管無直通問題，功率開關(guān)管和續(xù)流二極管分離，便于實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的分別最優(yōu)選取。電流滯環(huán)控制的雙BUCK逆變器克服了SPWM控制的雙BUCK逆變器存在偏置電流的問題，較理想的實(shí)現(xiàn)了兩電感電流的自然切換和半周期運(yùn)行，提高了逆變器的效率。本文以雙BUCK逆變器輸出濾波器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究一種電流滯環(huán)控制逆變器輸出濾波器的設(shè)計(jì)方法，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。1濾波電容作用原理雙BUCK逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。由圖1可以看到該逆變器的輸出濾波器由1L、L2和Co三個(gè)器件組成，從結(jié)構(gòu)上類似一個(gè)T型，不同于傳統(tǒng)的LC濾波器。當(dāng)濾波電感電流工作在正半周時(shí)有模態(tài)(1)：當(dāng)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，D1、D2截止。L1上電流iL1線性增加，L2上無電流。模態(tài)(2)：當(dāng)S1、S2關(guān)斷，D1導(dǎo)通，D2截止。L1上電流iL1線性減小，L2上無電流。當(dāng)濾波電感電流工作在負(fù)半周時(shí)有：模態(tài)(3)：當(dāng)S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，D1、D2截止。L2上電流iL2線性增加，L1上無電流。模態(tài)(4)：當(dāng)S1、S2關(guān)斷，D2導(dǎo)通，D1截止。L2上電流iL2線性減小，L1上無電流?？梢钥吹皆撃孀兤鞯拿總€(gè)電感僅承擔(dān)半波的濾波任務(wù)，在模態(tài)(1)、(2)期間iL1>0,iL2=0；在模態(tài)(3)、(4)期間iL1=0,iL2<0，濾波電容的作用和傳統(tǒng)的濾波電容作用相同。因此濾波參數(shù)的設(shè)計(jì)不妨簡(jiǎn)化為L(zhǎng)1和Co的設(shè)計(jì)。2濾波的傳感器參數(shù)選擇2.1滯環(huán)的控制策略電流滯環(huán)控制逆變器輸出濾波電感的選取與滯環(huán)環(huán)寬、開關(guān)頻率以及負(fù)載狀態(tài)都有密切的關(guān)系。兩態(tài)電流滯環(huán)控制原理圖如圖2所示。假設(shè)圖2中電感電流為雙BUCK逆變器中L1的電流iL1,Ui為輸入電壓，功率開關(guān)管S1在任一開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間是t1，開關(guān)周期為T,h為電流滯環(huán)寬度。由于逆變器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于逆變器的輸出基波頻率，因此可近似認(rèn)為其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間?t足夠小，滿足數(shù)學(xué)上微分的條件，可得等式diL1/dt=?iL1/?t。在0<t<t1期間，?iL1=h，?t=t1，則式(1)可變?yōu)榘?5)式代入(6)式即可得到兩態(tài)滯環(huán)控制在任意時(shí)刻，功率管S1的開關(guān)頻率fk1:式(7)表示了1S的開關(guān)頻率跟輸入電壓，輸出電壓，濾波電感和滯環(huán)寬度的關(guān)系。當(dāng)uo=0時(shí)，有最大開關(guān)頻率fk1max:當(dāng)uo=Uomax時(shí)，有最小開關(guān)頻率fk1min:式(8)、式(9)中Ui通常是已知量，h的選擇由逆變器的額定輸出功率決定，輸出功率越大，則環(huán)寬越大。工程上通常選擇h的大小為20%的額定負(fù)載電流。當(dāng)Ui和h確定以后，最大、最小開關(guān)頻率就僅與L1有關(guān)了。2.2最大開關(guān)頻率逆變器通常要求具有兩倍額定電流的短路能力，短路時(shí)輸出電壓始終為零，如果電感較小，由式(8)可以看到功率管的開關(guān)頻率將會(huì)很大。高的開關(guān)頻率和較大的電流使功率管極易損壞。為了保證短路狀態(tài)下逆變器不損壞，濾波電感的最小值就應(yīng)根據(jù)最大開關(guān)頻率來確定。通常逆變器允許的最大開關(guān)頻率由額定輸出功率和所選用的功率器件決定。額定輸出功率越大，所選功率器件的容量也就越大，其所允許的最大開關(guān)頻率就越小。2.3變壓器輸出電壓擾動(dòng)逆變器的穩(wěn)壓精度與電壓環(huán)控制參數(shù)和電感的大小有關(guān)。對(duì)于采用電壓瞬時(shí)控制技術(shù)的逆變器，在控制參數(shù)一定的情況下，隨著輸出負(fù)載的增加，流過逆變器輸出濾波電感的電流也隨之增加，增加的電流使電感上壓降增大，輸出電壓減小。為了補(bǔ)償電感上的壓降，就需要提高電壓閉環(huán)的放大倍數(shù)，較大的放大倍數(shù)易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此電感的最大感值受穩(wěn)壓精度的制約。圖3為逆變器輸出端電壓電流在空載、阻性、感性和容性負(fù)載條件下的矢量圖。定義變量?Uo表示帶載條件下輸出電壓和空載條件下輸出電壓的差值。由于Uinv是恒定的，從圖3可以看到感性負(fù)載條件下?Uo最大，因此應(yīng)在感性負(fù)載條件下設(shè)計(jì)電感量的最大值：由圖3(a)、(c)可得到式(10)～(13)：當(dāng)電壓環(huán)控制參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，從式(14)可以看到?Uo跟濾波電感的感抗成正比，電感越大，?Uo越大。3濾波容量參數(shù)的確定3.1濾波器的濾波設(shè)計(jì)濾波器濾波性能的好壞主要取決于濾波器的諧振頻率的選擇。由頻域分析LC濾波器的傳遞函數(shù)為其幅頻特性曲線示意圖如圖4ㄢ圖中，從圖中可以看到對(duì)于頻率大于諧振頻率fx的諧波，L(f)的幅值以40dB的速度衰減，而對(duì)于頻率小于fx的諧波，L(f)的幅值不發(fā)生改變。如果定義f1為基波頻率，那么只有滿足式(17)時(shí)，濾波器才能具有讓基波通過而對(duì)開關(guān)調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行濾除的濾波效果。由于式(17)給出的fx頻率范圍太寬，不利于濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了得到濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，fx還應(yīng)滿足以下幾個(gè)約束條件：那么由功率開關(guān)管調(diào)制產(chǎn)生的諧波就衰減的越厲害，濾波后的諧波含量就越少。(2）在保證(1)的前提下應(yīng)盡可能使fx>>f1，這是因?yàn)檫@樣有利于減小濾波器的體積重量。而對(duì)于頻率小于fx，無法利用濾波器濾除的低次諧波可以通過控制閉環(huán)的調(diào)節(jié)來減小其含量。(3)fx≠kf1,k為自然數(shù)，這樣可以避免濾波器對(duì)某次諧波進(jìn)行諧波放大。根據(jù)以上3點(diǎn)可以優(yōu)化fx，由于電感在前面的分析已經(jīng)確定，那么濾波電容的參數(shù)也就得到了優(yōu)化。3.2電池濾波電容對(duì)無功功率的影響3.1的分析表明在fx小，即濾波電容容值大的條件下有利于改善輸出電壓ηTHD，但這種做法在增加電容體積重量的同時(shí)還增加了電容帶來的無功功率，這些無功功率使流過功率管和傳輸線路上電流的有效值增加，造成開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的增加，降低了逆變器的效率。通常逆變器在額定感性負(fù)載時(shí)不希望輸出濾波電容對(duì)其無功功率產(chǎn)生過補(bǔ)償，也就是說如果所選擇的輸出濾波電容在額定感性負(fù)載情況下仍出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象，那么其容值就過大了。因此可得輸出濾波電容的最大值表達(dá)式4濾波器放電結(jié)果分析設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)電流滯環(huán)控制的半橋雙降壓式逆變器原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸入電壓360VDC，輸出電壓115VAC，輸出電壓頻率400HZ，額定負(fù)載500VA，容性感性負(fù)載功率因數(shù)cos?=0.75。主功率管SPW47N60C3，續(xù)流二極管DSEI30-06。由上述給定的設(shè)計(jì)參數(shù)選定滯環(huán)寬度h=2A，及工程經(jīng)驗(yàn)有理由認(rèn)為該功率等級(jí)、輸出頻率的逆變器開關(guān)頻率在12kHz～100kHz時(shí)，可獲得較小的濾波器體積重量又不至于開關(guān)頻率過高而損壞器件。將輸入電壓、最大開關(guān)頻率和滯環(huán)寬度等已知參數(shù)代入式(8)得，1L應(yīng)不小于450μH，再參考式(14)的計(jì)算結(jié)果，以及3.1和3.2提及的濾波電容選取的約束條件，加之實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，得到一組合適的濾波參數(shù)：兩輸出濾波電感均為500μH，輸出濾波電容7.6μF，濾波器幅頻特性曲線如圖5所示。表1是測(cè)得的逆變器在各種工作狀態(tài)下的開關(guān)頻率。從圖5和表1的數(shù)據(jù)可以看到，該濾波器的設(shè)計(jì)符合2.2和3.1設(shè)計(jì)要求。圖6是用HP-35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)出的空載和阻性滿載條件下的調(diào)制電壓頻譜(濾波前)和輸出電壓頻譜(濾波后)。圖中幅值最大處均表示基波電壓(頻率400Hz)幅值?？梢钥吹綖V波器對(duì)高次諧波的幅值產(chǎn)生了有效的抑制。由于圖6中基波電壓較大，而諧波電壓相對(duì)基波電壓較小，不易看出諧波電壓的變化量，于是圖7分別給出了空載、額定阻性負(fù)載、額定感性和額定容性負(fù)載條件下，調(diào)制電壓和輸出電壓諧波頻譜(不含基波頻率，最低次諧波頻率為800Hz)的具體數(shù)據(jù)。可以看到在各種負(fù)載條件下該濾波器對(duì)高于其諧振頻率的諧波產(chǎn)生了濾波作用，尤其是將高于15kHz的高次諧波均衰減了10倍以上，濾波效果明顯。圖8為逆變器空載和阻性滿載條件下實(shí)驗(yàn)波形。Uo表示輸出電壓；UDS2表示功率管S2漏源電壓；iL1表示L1流過電流；iL2表示L2流過電流?？梢钥吹捷敵鲭妷翰ㄐ蔚恼叶群芨?，ηTHD較小。iL1正半周工作，iL2負(fù)半周工作，滯環(huán)寬度在2A左右，與設(shè)計(jì)相符。因此該波形既證明了滯環(huán)電流控制雙BUCK逆變器兩濾波電感半周期工作的獨(dú)特工作原理，又再次證明所設(shè)計(jì)的輸出濾波器具有良好的濾波效果。圖9為輸出電壓隨負(fù)載變化曲線，可以看到無論是阻性、感性還是容性負(fù)載條件下其輸出電壓變化量均不大于2V，逆變器具有良好的穩(wěn)壓精度。圖10為逆變器短路實(shí)驗(yàn)波形，其各通道所代表的變量與圖8相同。樣機(jī)在此條件下能正常運(yùn)行5s，同樣證明了濾波電感的設(shè)計(jì)是合理的。圖11、圖12分別給出了濾波電容容值對(duì)逆變器效率、輸出電壓ηTHD的影響曲線，從圖中看到，大的容值有利于減小輸出電壓