升压DCDC变换器正弦波逆变器.doc

升压DC,DC变换器正弦波逆变器———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 摘要：介绍了采用BoostPWMDC/DC变换器的正弦波逆变器的工作原理与控制方式，这是一种新型的正弦波逆变器 关键词：升压；DC/DC变换器；正弦波逆变器1 引言 传统的电压型逆变器只能降压，不能升压要升压就必须采用升压变压器，或在直流电源与逆变器之间串入Boost DC/DC变换器这对于应用于UPS及通信振铃电源的低频逆变器来说，将会使电源的体积重量大大增加而采用新型的BoostPWMDC/DC变换器组成的逆变器，将会很简单地实现升压逆变如果在一个周期内不断地按着正弦规律改变载波周期内的占空比D，就可以输出电压成为正弦波 2 Boost变换器的升压特性 BoostPWMDC/DC变换器具有优越的无级升压变压功能，因此，可以把它直接应用于需要升压变压的高开关频率PWM电压型逆变器中 Boost变换器电路如图1〔a〕所示假定开关S的开关周期为T，开通时间为ton=DT，关断时间为toff=(1－D)T,而D=ton/T=0～1为开通占空比，(1－D)=ton/T为关断占空比。

Boost变换器有两个工作过程 1〕储能过程在S开通期间ton为电感L的储能过程，其等效电路如图1〔b〕所示S开通，输入电路被S短路，输入电流i1使电感L储能，加在L上的电压为电源电压US，电压方向与电流方向一样由电磁感应定律得 在ton期间，L中的电流增量为 ΔI1on= 2)放能过程在S关断期间toff，为电感L的放能过程，其等效电路如图1〔c〕所示S关断，D导通，电源与输出电路接通，电感L放能，加在L的电压为输出电压Uo与电源电压US之差〔Uo－US〕,电压方向与电流i2的方向相反由电磁感应定律得 在toff期间，L中的电流减小量为 ΔI2off= 电路稳定后，ΔI1on=|ΔI2off| 所以DT=(1－D)T；US=(1－D)Uo 故输出输入电压变比 〔1〕 Boost变换器的工作波形如图1〔d〕所示，可以看出：输入电流i1是连续的，输出电流i2是断续的i1连续是因为输入电路有L的存在 作出M=f(D)的关系曲线如图1〔e〕所示由于D=0～1,所以,说明Boost变换器只能升压，不能降压 (a)原理电路 〔b〕储能等效电路 (c)放能等效电路 〔d〕 波形图 (e)M=f(D)曲线 图1 Boost变换器电路的工作波形及M=f(D)曲线 3 Boost逆变器的构成 对于UPS或交流电动机驱动用的逆变器，要求它必须能够双向四象限工作，所以，应将Boost DC/DC变换器改良成双向变换器。

所谓双向变换器，就是功率既可以从输入端流向输出端，也可以从输出端流向输入端为此，必须要解决电流反向流通的问题最简单的解决方法是在原电路的三极管上反并联一只二极管，在原电路的二极管上反并联一只三极管，三极管和二极管共同组成两个反向导通的开关S和SS和S按互补方式工作这样，不仅保证了正反向电流的流通，而且也不使等效电路的工作过程发生变化改良后的电路如图2〔a〕所示，图2〔b〕为双向Boost变换器的M=f(D)曲线当功率由US输送到Uo时，变换器工作在Boost状态，当功率由Uo输送到US时，变换器工作在Buck状态，M=1－D 所谓S与S互补工作，即在DT期间S开通，S关断，在〔1－D〕T期间S开通，S关断 根据变换器变比的定义，当US为电源Uo为负载时，变比M=称为正向变比当Uo为电源US为负载时，变比M=称为反向变比两者之间的关系为M=令互补占空比D=1－D，那么1－D=D，因此，Boost变换器的变比M=，M=1－D=D (a)双向Boost变换器电路 (b)M=f(D)曲线 图2 双向Boost变换器的原理电路及其M=f(D)曲线 用图2〔a〕所示的Boost双向变换器构成的双向四象限Boost逆变器如图3〔a〕所示，图3〔b〕为双向四象限Boost逆变器的M=f(D)曲线。

Boost逆变器是用两个双向Boost变换器，共用一个电源US，在电源的负极上下对称地并联起来构成的负载电阻R以输出差动的形式连接电路中逆变器的4个开关工作在如图3〔a〕所示的互补方式，由电源US通过上下两个双向变换器向负载R供电当上面的双向变换器变比为M′=f(D)时，下面的双向变换器的变比即为M′=f(D)，D=1－D这样，逆变器a点的电压Ua=M′US，b点的电压Ub=M′US，负载R上的电压UL=Ua－Ub=M′US－M′US=US(M′－M′)根据变比的定义，逆变器的变比M==M′－M′ 对于Boost逆变器，M′=，M′==1/D，所以 M=M′－M′=－=〔2〕 作出与D的关系曲线如图3〔b〕所示 (a) Boost逆变器电路 (b) M=f(D)曲线 图3 Boost双向四象限逆变器及其M=f(D)曲线 4 Boost逆变器的PWM控制法 Boost逆变器的PWM控制法大约有5种，即SPWM控制法，滑模控制法〔Sliding mode control〕,电压跟踪控制法，函数控制法〔Function control〕和离散变量控制法它们各有特点，适合于不同用途的Boost逆变器。

但应用较多的是前三种控制法 4.1 SPWM控制法 适合于Boost逆变器的SPWM控制法有三种形式，即二阶SPWM控制、三阶SPWM控制，三阶交互式SPWM控制 4.1.1 二阶SPWM控制 Boost逆变器的二阶SPWM控制电路如图4〔a〕所示，图4〔b〕为工作波形图逆变器的左臂变换器按图3〔b〕中的曲线①工作，变比M′=；右臂变换器按图3〔b〕中的曲线②工作，变比M′=－;逆变器按图3〔b〕中的曲线③工作，变比M=M′－M′=－=由图4〔b〕，采样点a和b的方程为 式中：Tc为载波三角波周期； ζ=Uc/U为 调 制 比 ； 0≤p≤Tc/2； k=1，2，3，…N/2； N为 载 波 比 〔a〕原理电路 〔b〕工作波形图 图4 Boost逆变器的二阶SPWM控制电路 脉冲宽度 占空比 D的值不是随意给定的，只与变比M有关因此，D的实际应用值只能从图3〔b〕中的曲线③求出根据的US和UL值，算出变比，由M在曲线③上查出占空比D的值，逆变器的D工作区间那么为〔1－D〕～D 逆变器输出电压uL的傅里叶级数表示为式〔3〕 〔3〕 4.1.2 三阶SPWM控制法 Boost逆变器的三阶SPWM控制电路如图5〔a〕所示，图5〔b〕为工作波形图。

为了满足左右臂变换器中两个开关的互补工作，采用了左右臂相位参差调制法即采用两个相位相反而幅值一样的正弦调制波，与一个载波三角波进展比拟，得到两个相位相反的二阶SPWM波去分别控制左右臂变换器，在电容C1和C2上分别得到电压ua和ub，用ua－ub即可得到电压uL的三阶SPWM输出电压左臂C1上电压ua由S1和S1产生，右臂C2上电压ub由S2和S2产生，左右两臂变换器工作在互补状态当左臂的占空比为D时，右臂的占空比那么为D=1－D (a) 原理电路 (b) 工作波形图 图5 Boost逆变器的三阶SPWM控制电路 对于左臂，开关S1和S1互补工作，调制波为u=sinω(kTc＋p)是正相位，采样点a和b的方程式为 占空比 〔4〕 对于右臂，开关S2和S2互补工作，调制波为－u=－sinω(kTc＋p)是反相位，采样点a′和b′的方程式为 占空比 D= 〔5〕 那么1－D=1－==D 这说明左右两臂变换器的占空比满足D=1－D，两臂相互之间也工作在互补状态，即左臂变换器按图3〔b〕中曲线①工作；右臂变换器按图3〔b〕中曲线②工作；逆变器按图3〔b〕中曲线③工作占空比D的值应由M来确定。

当US和UL的值时，M=UL/US，由图3〔b〕曲线③查出与M对应的占空比D的值D的工作区间为〔1－D〕～D由图5〔b〕及文献[1]可知 〔6〕 由式〔6〕和式〔3〕比拟可知，采用三阶SPWM控制法比两阶SPWM控制法，具有更小的谐波含量 4.1.3 三阶交互式SPWM控制 Boost逆变器的三阶交互式SPWM控制电路如图6〔a〕所示，图6〔b〕为工作波形图这种控制方式的特点是，逆变器的左臂工作在uL的正半周，右臂工作在uL的负半周，左右臂交互工作，即可使逆变器输出一个完整的电压uL波形uL的傅里叶级数表示式与式〔6〕一样占空比D确实定，及D工作区间〔1－D〕～D确实定，也与三阶SPWM控制法一样实际上，三阶交互式SPWM控制法是三阶SPWM控制法的变形 〔a〕原理电路 〔b〕工作波形图 图6 Boost逆变器的三阶交互式SPWM控制电路 　 4.2 滑模控制法 滑模控制法适合于变构造系统，滑模变构造控制理论产生于上世纪50年代，现在已开展成为一种完备的控制系统设计方法这种控制法实质上是一种用高频开关控制的状态反应系统滑模控制的特点是稳定性好，鲁棒性〔Robustness〕强，动态性能好，实现容易。

滑模控制的原理是利用高速切换的开关控制，把受控的非线性系统的状态轨迹，引向一个预先指定的状态平均空间平面〔滑模面〕上，随后系统的状态轨迹就限定在这个平面上滑模控制系统的设计有两个方面：一是寻求滑模面函数，使系统在滑模面上的运动逐渐稳定且品质优良；二是设计变构造控制，使系统可以由相空间的任一点在有限的时间内到达滑模面，并在滑模面上形成滑模控制区 Boost逆变器的滑模控制系统框图如图7所示，u～是逆变器的输出电压；uL为低通滤波器的输出电压〔即负载电压〕；uL′是负载电压uL的一阶导数；ur为基准正弦电压；ur′为ur的一阶导数；u是控制变量，u为高电平时，代表u～最大，u是为低电平时，代表u～最小；K1，KL分别是加权数，即反应增益；σ为开关控制律控制电路由开关控制律形成电路和逻辑判断与触发电路两局部组成 开关控制律如式〔7〕所示 σ=K1(ur－uL)＋K2(ur－uL)≥0 〔7〕 图7 Boost逆变器的滑模控制系统框图 当σ>0时，控制量u为高电平，代表u～为u～最大；当σ<0时，控制量u为低电平，代表u～为u～最小 用滑模控制法的Boost逆变器，动态性能好，系统具有降阶性和鲁棒性。

滑模控制属于目标控制法，可以预先构造闭环特性，适用于动态性能要求。