單周控制反激逆變器

蔡可健 張 穎 程曉燕

（江蘇食品職業技術學院機電工程系 淮安 223001）

1 引言

隨著功率半導體器件的發展，人們對高頻鏈逆變技術的研究取得了顯著的成果。基于雙向反激DC-DC變換器的逆變器以特有的高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、單級功率變換及成本低等優點引起了更多的關注。可是，全橋、半橋及推挽式雙向電流源高頻鏈逆變器雖然都解決了雙向電壓源高頻鏈逆變器固有的電壓過沖問題，但受其固有拓撲的限制，其占空比都不能大于0.5，都必須通過提高變壓器匝比來實現高的輸出電壓[1-6]。為此，提出了采用輔助關開管關斷正激通路的電路拓撲及運用兩套雙向反激 DC-DC變換器輸入并聯、輸出串聯構成的電路拓撲[7-9]，占空比都能大于 0.5，從而減小了功率開關管的應力，也獲得了較寬的輸出輸入電壓比。但是，上述雙向電流源高頻鏈逆變器都是采用輸出電壓瞬時反饋的SPWM控制方案，工作在電感電流斷續模式（DCM），對擾動響應較慢，在達到穩定之前需要數個開關周期。文獻[10]進一步研究了由兩套雙向反激 DC-DC變換器輸入并聯輸出串聯構成的反激逆變器，基于工作在電感電流連續模式（CCM）的逆變器提出了同步整流控制方案，減小了開關管損耗，提高了整機效率，但其控制方式沒有本質的變化，逆變器的控制性能并沒有得到改善。

本文深入研究了一種高占空比反激逆變拓撲，對基于工作在電感電流連續模式的反激逆變器，在同步整流的基礎上提出了單周控制（one-cycle control）策略，它與傳統的SPWM控制相比，不僅結構簡單、穩定性好，而且控制精度高、響應速度快、對擾動抑制能力強，魯棒特性好[11-14]。

2 主電路構成及工作原理

本文提出的單周控制反激逆變器主電路拓撲如圖1所示，它僅由3只功率開關管、2只輔助開關管及1只高頻變壓器組成。其中功率開關管VT1構成高頻變換器，控制每個開關周期直流電源Uin傳輸的能量；開關管VT2、VT3及VTa、VTb構成周波變換器，VT2、VT3用于實現正弦交流電的能量回饋，輔助開關管 VTa、VTb用于實現正弦交流電壓的正負交替；變壓器T兼有電氣隔離、調整電壓變壓比和儲能的作用。

圖1 單周控制反激逆變器主電路Fig.1 Circuit of one-cycle control type DC-AC inverter

由反激 DC-DC變換器工作在電感電流斷續模式下的傳遞函數可知，反激 DC-DC變換器工作在電感電流斷續模式時，系統屬于一階系統，傳遞函數在s平面的右半平面無零極點，串聯補償網絡只需要一階阻容網絡，系統的穩定范圍大。但是，斷續模式時開關管的電流峰值和有效值高，從而損耗大、效率低。若工作在電感電流連續模式，它有一個右半平面零點，屬于非最小相角系統，需要采用比例-積分-微分補償網絡，但可明顯降低損耗、提高效率。所以，本文提出的單周控制逆變器設計工作在電感電流連續模式。

在輸出電壓uo(t) 的正半周，VT3、VTb一直關斷，VTa一直導通，VT1、VT2互補導通，電流ios可正可負，逆變器工作在第Ⅰ、Ⅱ象限，等效電路如圖2a所示。

圖2 單周控制反激逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuits of DC-AC inverter

在ios＞0 時，Uin、VT1、Lp、Ls1、VT2（VD2）、C0和Z0構成反激 DC-DC功率變換器，VT1高頻斬波，VD2續流，VT2同步整流，電源Uin向負載輸送能量。當VT1開始導通，變壓器一次電感電流線性上升，電感Lp儲能增加，設開關管VT1的占空比為D1，開關周期為Ts，經過D1Ts時間電源Uin輸送給變壓器一次電感Lp的能量為

經過D1Ts時間，VT1關斷，VT2開始導通，儲存在電感Lp的能量通過次級電感Ls1提供給負載。經過(1-D1)Ts時間負載獲取的能量為

因為

所以，式（3）可寫成

式中N1——變壓器一次匝數；

N2——變壓器二次匝數。

這里采用通態電阻低的功率場效應管取代了單向導通的續流二極管，不僅在大電流情況下能明顯降低整流管的導通損耗，而且Iinmin和Iosmin也可以小于零。所以，在一個開關周期內電感電流不可能出現斷續情況。

由于開關管的非理想性，存在著開通及關斷的延時，為確保電路的安全工作，通常要在兩開關之間插入死區時間。因此，當 VT1關斷時，VT2尚沒導通，在這個死區時間，VD2受正向電壓導通，并將VT2漏源極鉗位在零電壓狀態，而后VT2零電壓開通，當VT2關斷時，電路又經過另一個死區時間，如果傳遞功率較大，則在VT2關斷后，電流經過VD2繼續流動，再次開通VT1，VD2受反向電壓而關斷；如果傳遞功率較小，則在VT2開通期間，流過它的電流將很快下降到零，而后轉為反向流動，這種情況下關斷VT2，則VD1受正向電壓導通，并將VT1漏源極鉗位在零電壓狀態，而后VT1零電壓開通。假設逆變器工作在理想狀態，略去開關管互補導通的死區時間，在一個開關周期對電感LP運用伏秒平衡原理，得

亦即

略去在一個開關周期內直流電源電壓Uin可能受到的擾動，對式（7）第一項積分，得

由于逆變器具有能量流雙向傳遞功能，而且VT1、VT2互補導通，所以式（8）又可表示成

式中，D2是開關管VT2的占空比，且D1+D2=1。

由式（9）可知，輸出電壓uo僅是開關管的占空比D的一元函數。因此，調節開關管的占空比滿足某一規律就可以使逆變器輸出正弦交流電壓。當輸出輸入電壓滿足式（9）時，根據式（1）及式（5），又有

所以按照式（9）調節占空比也能滿足輸送能量的需要。

在ios＜0 時，Z0、C0、VT2、Ls1、Lp、VT1（VD1）和Uin構成反激DC-DC功率變換器，VT2高頻斬波，VD1續流，VT1同步整流，能量從負載端回饋到電源。當VT2開始導通，變壓器次級電感電流線性上升，電感Ls1儲能增加，VT2經過D2Ts時間關斷；當VT2關斷時，VT1開始導通，儲存在Ls1的能量通過初級電感Lp回饋給電源。略去開關管互補導通的死區時間，在一個開關周期對電感Ls1運用伏秒平衡原理，得

顯然，式（11）與式（8）及式（9）都是等同的。因此，在輸出電壓uo(t) 的正半周，無論是負載獲取能量，還是負載回饋能量，僅需要調節同一只開關管的占空比就可滿足輸出電壓和負載的需要。

在輸出電壓uo(t) 的負半周，VT2、VTa一直關斷，VTb一直導通，VT1、VT3互補導通，電流ios可正可負，逆變器工作在第Ⅲ、Ⅳ象限，等效電路如圖 2b 所示，Uin、VT1（VD1）、Lp、Ls2、VT3（VD3）、C0和Z0構成雙向反激DC-DC功率變換器。在ios＜0時，VT1高頻斬波，VD3續流，VT3同步整流，電源向負載輸送能量。在ios＞0時，VT3高頻斬波，VD1續流，VT1同步整流，能量從負載端回饋到電源。調節 VT1（或 VT3）的占空比可以滿足輸出電壓和負載的需要。詳細分析與輸出電壓的正半周類同，在此不再贅述。

3 單周控制策略

圖3 控制原理圖Fig.3 The control scheme of inverter

4 變壓器主要參數

高頻儲能變壓器的設計好壞對逆變器的效率影響很大，它的主要參數必須選擇恰當。設逆變器的輸出頻率fo遠小于開關頻率fs，在一個開關周期內變壓器二次電流的最小值為Iosmin，則變壓器的瞬時輸出功率可表示為

由式（6）可知，略去一個開關周期uo的變化，有

于是，式（12）又可寫成

所以

由以上對逆變器的工作原理分析可知，在一個開關周期內，若變壓器二次側最小電流Iosmin≥0，則 VT2（或 VT3）同步整流且零電壓開通。若變壓器二次側最小電流小于0， 則VT1、VT2（或VT1、VT3）都實現了零電壓開通。在變壓器二次側最小電流小于0的狀況下，雖然實現了所有開關管的零電壓開通，但在每個開關周期內也出現了能量循環，循環過大又會明顯降低逆變器的效率。因此，逆變器工作在Iosmin=0附近最為適宜。這里設計逆變器在輸出最大功率的 60%時對應的最小電流等于 0。于是，結合式（15）可得儲能變壓器一次電感為

變壓器一次、二次匝比應滿足

式中k=60%；

Dmax——最大占空比；

Uo——輸出電壓有效值；

PN——輸出額定容量；

η——逆變器效率。

5 實驗驗證

根據以上理論分析，制作了一臺樣機進行實驗驗證，其主要參數為：輸出電壓 220V/50Hz，輸出額定容量 250VA，30～48V直流電源，時鐘頻率50kHz，變壓器一次側4匝，二次側18匝，R2KBD磁心，VT1～VT3選用IXTH50N10型號，VTa、VTb選用2SK1512型號，輸出電容選用4.7μF/AC220V。圖 4a是阻性負載時逆變器輸出電壓uo和輸出電流io的波形，圖4b和圖4c分別是功率因數為0.75，輸出額定容量時的感性負載和容性負載逆變器輸出電壓uo和輸出電流io的波形，這表明采用單周控制的逆變器具有四象限運行的能力及很好的負載適應性。圖4d是逆變器從空載到額定電阻性負載突然切換時逆變器的輸出電壓uo和輸出電流io的動態響應波形，從圖 4中可以看出，逆變器對于滿載切換的動態響應時間小于0.1ms，這表明采用單周控制的逆變器具有很好的動態響應特性。圖4e是開關管VT2(VD2) 的電壓電流波形，其他開關管類同。實驗結果充分證實了理論分析的正確性。

圖4 實驗波形Fig.4 Experimental waveforms

6 結論

本文研究了一種占空比能夠大于 0.5的反激逆變器，提出了單周控制方案，增強了逆變器抑制擾動的能力，提高了逆變器的控制精度和響應速度，電路結構簡單、穩定性好。詳細分析了電路的工作原理和控制原理，并進行了實驗驗證。同時，該逆變器還具有同步整流、零電壓開通及高頻電氣隔離等優點，適合于低電壓大電流場合。

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