一种SPWM 控制双Buck 半桥逆变器研究

一种SPWM 控制双Buck 半桥逆变器研究

张先进1,2,龚春英2

(1.淮海工学院电子工程系,江苏连云港222005;2.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)

摘要:在分析了有关双Buck 半桥逆变器的控制方法基础上,结合自己对此电路的研究,并采用了根据电感电流方向正弦脉宽调制(SPWM )控制方法应用于双Buck 半桥逆变器。给出了此种控制方法的双Buck 半桥逆变器工作的原理,分析了其工作过程,并给出仿真和实验结果。仿真和实验结果验证了控制方法的正确性。

关键词:双Buck 半桥变换器;SPWM 控制;电流方向中图分类号:TM46 文献标识码:A

R esearch on Dual Buck H alf B ridge Inverter B ased on SPWM Control

ZHAN G Xian 2jin 1,2,GON G Chun 2ying 2

(1.Department of Electronic Engineering ,Huaihai Institute of T echnology ,L iany ungang 222005,J iangsu,China;2.A utomation Institute ,N anjing University of Aeronautics and Astronautics ,

N anjing 210016,J iangsu,China )

Abstract :The new half periodical inductor 2current SPWM controlling methods of dual buck half bridge in 2verter was introduced based on analyzing many controlling methods of dual buck half bridge inverter.The working procedure was given and the experiment results are coincided with the simulation and the theoretical a 2nalysis.

K ey w ords :dual buck half bridge inverter ;SPWM control ;direction of current

作者简介:张先进(1975-),男,博士研究生,讲师,Email :zxjb0703113@https://www.wendangku.net/doc/e516382905.html,

1　引言

DC/AC 逆变器通常采用半桥、全桥等拓扑结

构,其控制方法也常采用三角波载波与正弦波交截方式、空间矢量控制方式以及滞环电流控制方式等。在桥式拓扑结构中,为了避免同一桥臂上、下两个开关管的直通危险,在同一桥臂的驱动信号之间加入死区。死区的加入,一方面造成输出电压波形的畸变;另一方面开关频率也不能太高,滤波电感和滤波电容都比较大,系统动态性能也较差[1]。当逆变器工作在续流时,电感电流通过开关管的体二极管进行续流。通常开关管的体二极管性能比一般的高性能二极管的性能差,特别是反向恢复时间较长,对系统造成不良的影响[2]。于是人们又提出了由2个Buck 电路构成的双Buck 半桥逆变电路[2～5],此电路拓扑结构很好地解决了以上的问题(拓扑电路如图1所示)

。图1　主拓扑电路

Fig.1　Main topology

双Buck 半桥逆变器控制方法也有SPWM

(正弦脉宽调制)和无偏置电流半周期滞环电流控制方式[2～5]等。由于Buck 电路负载较小时有可能工作在电流断续模式,那么就会造成输出电压波形畸变,所以在文献[3,4]的SPWM 控制方法中加入额外最小偏置电流信号,来解决这个问题。这样就造成滤波电感中始终有环流流过,影响了系统效率的提高。在文献[2,5]中,采用非线性无

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4电气传动　2009年　第39卷　第2期EL ECTRIC DRIV E 2009　Vol.39　No.2

偏置电流半周期电流滞环控制方式。它能够实现两个电感电流自然切换和半周运行,不需要最小偏置电流,从而实现较高的开关频率。但是当采用电流滞环控制时,开关管的开关频率并不固定,特别当开关频率在人的耳朵听觉频率范围之内,将有较大的噪音。

本文将采用根据电感电流方向SPWM控制方法,从而有效地消除了文献[3,4]中需要的额外偏置电流,在轻载时仍然具有较好的输出电压波形;同时开关频率固定,有效地消除了噪音,有利于输出滤波器的设计。

2　根据电感电流方向SPWM控制方法

在文献[3]中,第一次提出了此逆变器的拓扑结构,并采用输出滤波电容电流作为内环的双环控制,所以逆变系统即使在非线性负载下,也能获得很好的正弦输出。因为有2个滤波电感串联,所以能够避免功率管的直通,提高了系统可靠性。通过对控制方法的分析,可以得出:由于没有考虑电感电流的换流情况,2只电感中有很大的环流,这样降低了系统的效率。在文献[4]中对该拓扑的工作过程进行了较详细的分析,并采用一种新的控制方法,但内环仍然采用电容电流反馈。同样,可以得出:由于没有考虑电感电流的换流情况,控制方法中的两个电感始终有电流流过,存在了很大的环流,这样造成系统效率不高。

通过对已有的SPWM控制方法的分析研究,本文采用根据电感电流方向的SPWM控制方法。

2.1　工作原理

电感电流方向SPWM控制方法的基本原理是电流环的输出并对其取反,2个信号分别与单极性三角波交截获得驱动信号,去直接驱动2个开关管。通过控制开关管S1,S2的工作,使电感L1中电流跟踪电流给定信号的正半周,电感L2中电流跟踪电流给定信号的负半周。

工作过程简单描述如下:

1)当电感的电流跟踪电流给定信号的正半周(i≥0,电感L1中有电流)时,开关管S1,L1和续流二极管工作,开关管S2、续流二极管D2不工作,电感L2中电流为零,从而电感L1中的电流跟踪电流给定信号。

2)当电感的电流跟踪电流给定信号的负半周(i<0,电感L2中有电流)时,开关管S2、续流二极管D2和L2工作,开关管S1、续流二极管D1不工作,电感L1中电流为零,从而电感L2中的电流跟踪电流给定信号。

根据电感电流方向控制方法,电感电流表达式为

i L=

i L

1

,i≥0

i L

2

,i<0

(1)

2.2　双Buck半桥逆变器具体工作过程

假设电感L1=L2=L,V d1=V d2,开关管S1, S2和续流二极管D

1,D2均视为理想器件。工作过程如下(参照图1和图2):

图2　主要控制波形

Fig.2　Main cont rolling waveforms

1)模态1:S1导通,S2关断(见图3a)。在输入电压和输出电压作用下,电感L1中电流增加,变化率为

V d1-U o=L

d i L

1

d t

(2)此模态中,电感电流以(V d1-U o)/L的斜率上升。

2)模态2:S1关断,S2关断(见图3b)。由于续流二极管D1导通,那么在输入电压和输出电压作用下,电感L1中电流减少,变化率为

-V d2-U o=L

d i L

1

d t

(3)此模态中,电感电流以(U o+V d2)/L的斜率下降。

3)模态3:S2导通,S1关断(见图3c)。在输入电压和输出电压作用下,电感L2中电流减少,变化率为

U o-(-V d2)=L

d i L

2

d t

(4)此模态中,电感电流以(U o+V d2)/L的斜率下降。

4)模态4:S2关断,S1关断(见图3d)。由于续流二极管D2导通,那么在输入电压和输出电压作用下,电感L2中电流增加,变化率为

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张先进,等:一种SPWM控制双Buck半桥逆变器研究电气传动　2009年　第39卷　第2期

V d1-U o =L

d i L 2

d t

(5)

此模态中,电感电流以(V d1-U o )/L 的斜率上升

。

图3　工作模态图

Fig.3　Working models

可见,由于在电感电流正负半周内分别控制

2只开关管工作,从而使电感电流跟踪电流给定信号,保证输出电压波形质量。同时,由于具有2个滤波电感串联,所以很好地解决了开关管的直通问题,提高了逆变器的可靠性,有利于开关频率的提高和提高系统的响应速度以及减少滤波器的大小。通过仿真和实验,验证了控制方法的正确性和简单容易实现。

在文献[2,5]中,需要采用2个电流互感器,来分别采样2个电感的电流。但是,本文只要一个电流互感器,采样2个电感电流之和,从而控制输出电压的波形。

3　仿真和实验

根据以上的控制原理,利用Saber 软件对电

路进行仿真验证。仿真条件是:

1)输入电压360V ,输出电压为115V ,频率为400Hz ;

2)2个滤波电感值为200μH ,滤波电容为10μF ,开关频率为50k Hz 。

仿真结果如图4和图5所示。仿真图中对应波形分别是:驱动以及对应的电感电流波形和输出电压波形。 从图4、图5中,我们可以看到电流为正向(电感L 1中有电流)时,S 1,L 1和D 1调制工作,S 2,D 2不工作,L 2中电流为零;电流为负向(电感L 2中有电流)时,S 2,D 2和L 2调制工作,S 1,D 1不工作,L 1中电流为零。

仿真结果证明了上述原理的正确性。图4　空载仿真波形

Fig.4　Simulation waveforms wit hout

load

图5　带载仿真波形(10Ω)

Fig.5　Simulation waveforms wit h load (10Ω)

根据以上分析和仿真,进行实验验证。实验条件是:输入电压360V ,输出电压115V ,频率为400Hz ,滤波电感为200μH ,滤波电容为4.7μF ×2,负载为阻性12Ω,开关频率为50k Hz 。实验结果如图6、图7、图8所示

。

图6　功率管S 1源2漏电压、滤波电感电流及输出电压

Fig.6　Waveforms of drain 2source voltage ,inductor

current and output voltage of S 1

5电气传动　2009年　第39卷　第2期张先进,等:一种SPWM 控制双Buck 半桥逆变器研究

图7　功率管S 2源2漏电压、滤波电感电流及输出电压

Fig.7　Waveforms of drain 2source voltage ,inductor

current and output voltage of S

2

图8　输出电压、电流和驱动图

Fig.8　Waveforms of output voltage ,output

current and driving singles

在图8中,给出了输出电压、输出电流和驱动

信号波形。由于电感电流超前输出电流,所以驱动信号超前输出电流。从图6和图7中,可以看出在电感电流正半周时,功率管S 1工作,在电感电流负半周时,功率管S 2工作。因此,SPWM 控制方法实现了双Buck 半桥逆变器电感电流半周

期控制,并且两个电感中没有环流,从而有利于提

高效率。

4　结束语

通过电路分析和仿真以及实验,验证了一种SPWM 控制的双Buck 逆变器方法的正确性和可

行性。双Buck 半桥逆变器具有电路结构简单、开关管无直通、不必设置死区、可靠性高、效率高等优点,将会得到广泛的应用。但它也有明显的缺点,需要两个输出滤波电感,所以双Buck 半桥逆变器的成本比传统半桥逆变器的成本有所增加。但从系统的可靠性上来说,双Buck 半桥逆变器优点还是很明显的,特别适用于对逆变器可靠性要求较高的场合,如航空领域和U PS 之中。

参考文献

[1]　刘凤君.正弦波逆变器[M ].北京:科学出版社,2000.[2]　张先进.双Buck 逆变器应用研究[D ].南京:南京航空航天

大学,2005.

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Industry Applications ,1995,31(3):583-589.

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AC Power Conversion by Optimization of t he Output Cur 2rent Waveform t he Half Bridge Revisited[J ].IEEE Trans 2actions on Power Electronics ,1999,14(2):272-280.[5]　洪峰,刘军.滞环电流控制型双BUCK 逆变器[J ].电工技

术学报,2004,19(8):73-77.

收稿日期:2008201230修改稿日期:2008209215

中国工程院化工、冶金与材料工程学部第七届学术会议

中国工程院化工、冶金与材料工程学部研究决定第七届学术会议将于2009年9月15日-18日在天津滨海新区召开。会

议主题为“现代化工、冶金与材料技术前沿”。

此次学术会议活动的论文征集工作已经开始,欢迎化工、冶金与材料及相关领域的院士、专家、学者积极参加此次学术会议,并踊跃投稿。所收论文将由组委会送交会议学术委员会审阅,并报请学部常委会批准,论文被录用后将收入《中国工程院化工、冶金与材料工程学部第七届学术会议论文集》,由化学工业出版社正式出版。

论文截稿日期为2009年4月30日,请于截稿前将稿件的电子版发送至组委会信箱:luntan @https://www.wendangku.net/doc/e516382905.html, 或登陆http ://https://www.wendangku.net/doc/e516382905.html, 在网上提交,同时请仔细参阅网上的论文基本要求!

此次会议将为企业搭建展示企业形象、技术、产品的平台,会前将就企业的技术难题进行搜集、整理、汇总并印刷成册,发放给与会院士,让院士和企业可以在会议期间进行交流、座谈、开展深入合作。您可登陆http ://https://www.wendangku.net/doc/e516382905.html, 下载企业需求表,并将该表的电子版发送至组委会信箱:luntan @https://www.wendangku.net/doc/e516382905.html, 或在网上直接提交企业需求表。

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天津市科学技术信息研究所　天津市科技期刊编辑学会　供稿

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