半周控制双Buck-Boost单级逆变器

嵇保健 洪 峰

（1.南京工业大学自动化与电气工程学院 南京 210009 2.南京航空航天大学信息科学与技术学院 南京 210016）

1 引言

对于交流输出的太阳能和风力发电装置而言，逆变器是必需的组成部分。传统逆变器拓扑几乎都可以归结为Buck型降压式变换器结构[1]，为保证逆变器正常工作，要求逆变器直流侧母线电压必须大于输出电压峰值，否则，将导致输出电压波形畸变。这就给逆变器的前级电路提出了高的要求，要求它必需能输出幅值满足要求的稳定直流母线电压。

另一方面，在各种太阳能和风力发电装置中，逆变器的前级为DC-DC变换器。受自然条件的限制，太阳能电池板或风机输出的功率和电压变动范围很宽广，DC-DC变换器普遍采用各种最大功率点跟踪算法（MPPT），以最大程度地捕获输入功率，其输出即直流母线电压并不稳定，仍具有大的变动范围。

同时，参考文献[1-2]指出：DC-DC直直变换器＋DC-AC逆变器的两级式结构增加了系统复杂性、加大了开销、增大了整机体积重量、不利于提高整体的功率变换效率。希望得到一种宽范围电压输入的单级逆变器，特别是在直流侧母线电压低于输出电压时也能正常实现升压逆变的单级逆变器。

目前，单级逆变器均可归结为采用 DC-DC 变换器组合得到。基本 DC-DC 单管拓扑均只能实现电压的单极性变换，要实现 DC-AC 所需的电压双极性变换，需采用两个 DC-DC 基本电路拓扑来进行组合[3-4]。参考文献[5-8]即采用两个 Buck-Boost 电路按输入端并联，输出端串联进行组合，对其输出电压做差来得到极性有正有负的交流正弦输出，从而实现了单级升压逆变。隔离型的 Buck-Boost 逆变器即文献[9-12]提出并研究的反激逆变器，采用两个反激变换器在输出端串联组合得到。本文将以上结构统称为串联组合方式。此外，参考文献[13-14]则采用前级升压电路，后级全桥的组合来构建Buck-Boost 逆变器，实际上仍然是两级的结构。参考文献[15-16]则通过在全桥结构前增加特殊的Z-source 网络实现了三相 Buck-Boost 逆变。

近年来出现的双 Buck 逆变器[17-18]则采用两个DC-DC基本电路拓扑（Buck电路）在输出端并联组合得到[21]。本文将其称为并联组合方式。单个Buck 电路单元只在一半的输出电流周期内工作。即前半个周期 Buck 电路 1工作，Buck 电路 2不工作，提供正极性输出电流；后半个周期 Buck 电路 2工作，Buck 电路 1不工作，提供负极性输出电流。本文将这种控制策略称为半周控制。半周控制的双 Buck 逆变器，工作电流仅通过单个 Buck电路单元，流经的功率器件少，相对串联组合方式下工作电流必然流经两电路单元，并联组合方式有利于降低损耗，提高变换效率。双 Buck 逆变器取得了高变换效率[17-20]，但由于 Buck 电路只能降压，不能实现单级升压逆变。

采用两个Buck-Boost 电路按输出端并联进行组合，并应用半周控制策略，即为本文提出的半周控制双 Buck-Boost 单级逆变器，成功地实现了单级升压逆变，并取得良好效果。

2 双Buck-Boost单级逆变器工作原理

图1为本文提出的双Buck-Boost单级逆变器电路拓扑。图中标出了MOS型功率器件的体二极管。S1～S4均为由MOSFET的漏极和功率二极管阴极串联得到的单向开关（也可由MOSFET的源极和功率二极管阳极串联得到），具有电压双向阻断，电流单向流动的能力。L1、L2为储能电感；C1、C2为直流侧均压电容；Cf为输出滤波电容；R为负载阻抗。记直流侧母线电压大小为2Ud；记P点电压即输入正母线电压为uP；N点电压即输入负母线电压为uN，有uP=-uN=Ud；记单向开关S1～S4的驱动信号分别为v1～v4；电感L1和L2的电流分别为iL1和iL2，电感电流iL=iL2-iL1，又有iL=io+iC。io为输出电流（负载R电流），iC为滤波电容Cf电流，重载时，有io≥iC，iL≈io。

图1 双Buck-Boost单级逆变器电路拓扑Fig 1 Topology of dual Buck-Boost inverter

图1 中由S1、S3、L1和Cf构成的Buck-Boost电路1，是一个单向直-直变换器，可进行反极性电压变换，流过从输出侧到A点的单向电流，即在以输出电压uo为纵坐标，电感电流iL为横坐标的坐标系中，工作于第3象限；由S2、S4、L2和Cf构成的Buck-Boost电路2，是一个单向直-直变换器，可进行反极性电压变换，可流过从B点到输出侧的单向电流，即在以输出电压uo为纵坐标，电感电流iL为横坐标的坐标系中，工作于第1象限。剩余的第2、4象限，不是Buck-Boost电路1或Buck-Boost电路2单独工作能够完成的，需要两个Buck-Boost电路同时工作。双Buck-Boost单级逆变器工作象限分布如图2所示。

图2 双Buck-Boost单级逆变器工作象限Fig.2 Working quadrant of dual Buck/Boost single-stage inverter

图3 双Buck-Boost单级逆变器工作模态Fig.3 Working modes of dual Buck-Boost inverter

下面结合图3和图4来叙述双Buck-Boost单级逆变器的具体工作原理。图3为双Buck-Boost单级逆变器的工作模态。图4为双Buck-Boost单级逆变器各种负载条件下的仿真波形。空载时，输出电流即为滤波电容电流iC，输出电流超前输出电压90°，因而输出电压正半周上升段即输出电流、电压坐标的第1象限；输出电压正半周下降段即第2象限；输出电压负半周上升段即第3象限；输出电压负半周下降段即第4象限；如图4a所示。

（1）第1象限：Buck-Boost电路2工作，Buck-Boost电路1不工作，uo＞0、iL＞0；单向开关S2PWM调制，S4驱动v4同S2驱动v2互补；S1、S3截止。此时电路包括两个工作模态：

工作模态I：如图3a所示，单向开关S2导通，电感L2的电流iL2线性上升，单向开关S4无电流通过。电容Cf向输出侧负载供电。

工作模态II：如图3b所示，单向开关S2截止，电感电流iL2从S4续流，开始下降。桥臂B点电压为输出电压，因而图4所示uB包络线为输出电压uo，而Buck-Boost电路1在本阶段不工作，A点电压uA为负母线电压uN=-Ud。

（2）第2象限：Buck-Boost电路2和Buck-Boost电路1交替工作，输出电平为双极性（uN=-Ud或uP=Ud），输出电压uo＞0；电感电流iL2＜iL1，iL＜0。此时电路包括工作模态I、II和工作模态III、VI。

（3）第3象限：Buck-Boost电路1工作，Buck-Boost电路2不工作，uo＜0、iL＜0；单向开关S1PWM调制，S3驱动v3同S1驱动v1互补；S2、S4截止。此时电路包括两个工作模态：

图4 双Buck-Boost单级逆变器关键波形Fig.4 Key waves of dual Buck-Boost inverter

工作模态III：如图3c所示，单向开关S1导通，电感L1的电流iL1线性上升，单向开关S3无电流通过。电容Cf向输出侧负载供电。

工作模态IV：如图3d所示，单向开关S1截止，电感电流iL1从S3续流，开始下降。桥臂A点电压为输出电压，因而图4所示uA包络线为输出电压uo，而Buck-Boost电路2在本阶段不工作，B点电压uB为正母线电压uP=Ud。

（4）第4象限：Buck-Boost电路1和Buck-Boost电路2交替工作，输出电平为双极性（uN=-Ud或uP=Ud），输出电压uo＜0；电感电流iL2＞iL1，输出电流io＞0。此时电路包括工作模态I、II和工作模态III、VI。

由以上分析可知，在第2和第4象限，需要两Buck-Boost电路同时工作，来实现双极性电平输出，维持输出电压；在这两个象限中，输出电流为两电感电流的差值。图4a为空载时的仿真波形，输出电压、电流相差90°，各象限分别占据1/4个输出周期。当逆变器带阻性负载，输出功率因数变大，输出电压、电流相差减小，逆变器工作于第1和第3象限的时段延长，工作于第2和第4象限的时段缩短。载重时，输出电压、电流相差很小，电路工作模式接近理想的电流半周工作模式，即Buck-Boost电路1和电路2分半周期交替工作，仅在电感电流过零切换处，即第2和第4象限，有少量Buck-Boost电路1和电路2一起工作的区段，如图4b所示。图4c为感性负载仿真波形。

此外，在第1象限，驱动信号v4也可保持在高电平，S4保持导通状态，由S2PWM调制，当S2关断，电感电流iL2从S4自然续流；在第3象限，驱动信号v3也可保持在高电平，S3保持导通状态，由S1PWM调制，当S1关断，电感电流iL1从S3自然续流。仿真波形如图4d所示（阻性负载）。显然，该方式可有效减少S3、S4开关次数，降低开关损耗。

双Buck-Boost单级逆变器可做进一步的优化，将两电感磁集成在同一副磁心上，进一步减小滤波器的体积重量。由于采用集成磁件的双Buck-Boost逆变器的工作过程和分析与采用分离电感的双Buck-Boost单级逆变器一致，不再作单独的讨论。

该逆变器采用了半桥输入方式。对于光伏发电、蓄电池供电等场合，可通过光伏阵列、蓄电池组串联组合，提供±Ud输入电压。对于单电源供电的场合，可采用电容分压方式输入，并引入输入电压前馈控制，进行均压控制。限于篇幅，详细分析略。

3 双Buck-Boost单级逆变器控制方案

为实现以上工作原理，对双Buck-Boost单级逆变器采用图5所示的控制方案。为保障逆变器兼具优良的波形质量和输出特性以及快速的动态相应速度，采用电压外环电流内环的双环控制方案。为实现半周工作方式，采用单极性SPWM调制生成S1、S2的驱动信号，即采用正极性三角波交截生成S1的驱动信号；采用负极性三角波生成S2的驱动信号。如图4仿真波形所示，S3、S4分别在半个周期内几乎一直导通，仅在电感电流过零切换处有少量调制，使S3、S4几乎工作于输出工频有助降低器件的开关损耗。由于S1～S4中功率二极管的阻断作用，双Buck-Boost逆变电路中任意两只功率开关管之间均无直通可能，因而可以同时导通；但不允许Buck-Boost电路1工作时，S1和S3同时关断；Buck-Boost电路2工作时，S2和S4同时关断，否则会造成电感L1或L2的电流无处续流，电感储能在开关死区内全部作用在开关器件寄生电容上，将造成很大的电压尖峰，危及器件安全，因而S1和S3，S2和S4的驱动信号之间应插入高电平死区，以保证Buck-Boost电路1工作时，S1关断截止前已开通S3，S3关断截止前已开通S1；Buck-Boost电路2工作时，S2关断截止前已开通S4，S4关断截止前已开通S2。

图5 双Buck-Boost单级逆变器控制框图Fig.5 Control method of dual Buck-Boost inverter

4 实验结果

对上述分析进行了实验验证。双Buck-Boost单级逆变器原理样机参数如下：开关管采用SPW47N60C3、功率二极管采用DSEP15-03A、电感L1＝L2＝100μH、输出滤波容Cf＝34.7μF，额定输出电压峰值为100V，输出频率为50Hz、额定输出功率为200W。

图6为双Buck-Boost单级逆变器原理样机在空载、阻性负载和感性负载时的实验波形。实验波形同前文理论分析和仿真结果一致，该变换器在各种性质负载下均实现了单级升压逆变：图6a空载实验波形中，由电感电流和输出电压的相位关系可判断出逆变器工作的四个象限，在输出电压uo和电感电流iL均小于零的第3象限，Buck-Boost电路2不工作，因而桥臂B点电压uB为母线电压uN；在其他三个象限，Buck-Boost电路2都工作，因而uB包络线为输出电压uo，其中，在输出电压uo和电感电流iL均大于零的第1象限，Buck-Boost电路2单独工作，第2、4象限，同Buck-Boost电路1同时工作。由图6b、6c实验波形可见，阻性负载时，逆变器接近工作于电流半周工作模式，Buck-Boost电路1提供负半周的电感电流。图6d验证了逆变器带感性负载的能力。另外，综合图6a～6d可验证：随着输出功率因数的提高（输出电压、电流相位越接近），Buck-Boost电路1、2分别近似半周期工作。

图6 双Buck-Boost单级逆变器工作模态Fig.6 Working modes of dual Buck-Boost inverter

图6 给出的均为输入电压低于输出电压（峰值）时的实验波形。对输入电压高于输出电压（峰值）的情况也进行了实验，该逆变器同样可正常工作，适应各种负载情况，且满足波形质量要求。限于篇幅，实验波形略。

图7为双Buck-Boost单级逆变器的效率曲线。图8为双Buck-Boost单级逆变器的输出电压THD曲线。在小功率等级下，该逆变器取得了相对较高的变换效率和输出波形质量。

图7 效率曲线Fig.7 Efficiency of dual Buck-Boost inverter

图8 THD曲线Fig.8 THD of dual Buck-Boost inverter

5 结论

双Buck-Boost逆变器是一种新颖的单级逆变器，由两个Buck-Boost单向直流变换器输出并联得到，具有以下特点：

（1）可适应各种负载情况，并随着输出功率因数的提高，近似工作于电流半周期模式。

（2）在输入侧母线电压低于输出电压时，双Buck-Boost单级逆变器仍能正常完成逆变功能；

（3）整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；开关管可同时开通，电路无桥臂直通问题；输入输出共地，易构建三相系统。

该逆变器对于简化小功率逆变系统，提高功率密度，具有一定促进作用。

[1] Liu Liming,Wu Zhichao,Li Hui.A single-stage grid-connected inverter with wide range reactive power compensation using Energy Storage System(ESS) [C].Proceedings of the 25th IEEE Applied Power Electronics Conference.2010,223-230.

[2] 陈亚爱,张卫平,张东辉,等.新型MH灯用单级逆变器[J].电工技术学报,2009,23(8): 74-79.Chen Yaai,Zhang Weiping,Zhang Donghui,et al.Study of a novel single stage inverter for MH lamps[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2009,23(8): 74-79.

[3] 严仰光.双向直流变换器[M].南京: 江苏科学技术出版社,2004.

[4] Ma Yundong,Qiu Bin,Cong Qing.Research on single-stage inverter based on bi-directional Buck DC converter[C].Proceedings of the 2nd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems,2010: 299-303.

[5] Almazan J,Vazquez N,Hernandez C,et al.A comparison between the Buck,Boost and Buck-Boost inverters[C].Proceedings of the 7th IEEE International Power Electronics Congress,2000: 341-346.

[6] Jose Matas,Luis Garcia de Vicuna,Josep M Guerrero,et al,A discrete sliding mode control of a buck-boost inverter[C].Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialist Conference,2002: 140-145.

[7] Liang TsorngJuu,Shyu JueiLung,Chen JiannFuh.A novel DC-AC boost inverter[C].Proceedings of the 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference,2004: 629-634.

[8] Pablo Sanchis,Alfredo Ursæa,Eugenio Gubia,et al.Boost DC-AC inverter: a new control strategy[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(2):343-353.

[9] Gong Chunying,Sun Lin,Liang Yongchun,et al.Research on the control strategies of single-stage flyback inverter [C].Proceedings of the 2006 IEEE Power Electronics Specialists Conference ,2006:3206-3210.

[10] 梁永春,孙林,龚春英,等.反激逆变器研究[J],中国电机工程学报,2005,25(24): 85-89 Liang Yongchun,Sun Lin,Gong Chunying,et al.Research on flyback inverter[J].Proceeding of the CSEE,2005,25(24): 85-89.

[11] Gu Junyin,Wu Hongfei,Chen Guocheng,et al.Research on photovoltaic grid-connected inverter based on soft-switching interleaved flyback converter[C].Proceedings of the 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,2010:1209-1214.

[12] 孙林,梁永春,龚春英,等.基于反激变换器的单级式DC/AC逆变器[J],电工技术学报,2006,21(3):89-93.Sun Lin,Liang Yongchun,Gong Chunying,et al.Research on single-stage inverter based on the flyback inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2006,21(3): 89-93.

[13] Saravana Ilango G,Rao P S,Karthikeyan A,et al.Single-stage sine-wave inverter for an autonomous operation of solar photovoltaic energy conversion system [J].Renewable Energy,2010,35(1): 275-282.

[14] Salamah A M.Single-phase voltage source inverter with a bidirectional buck-boost stage for harmonic injection and distributed generation [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(2):376-387.

[15] Loh P C,Vilathgamuwa D M,Gajanayake C J,et al.Transient modeling and analysis of pulse-width modulated z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(2): 498-507.

[16] Gao Feng,Loh Poh Chiang,Teodorescu Remus,et al.Diode-assisted buck-boost voltage-source inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(9):2057-2064.

[17] Liu Jun,Yan Yangguang.Reliable hysteresis current controlled dual buck half bridge inverter[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2003,1(1): 67-72.

[18] 洪峰,单任仲,王慧贞,等.一种新型的磁集成双Buck逆变器[J].电工技术学报,2007,22(6): 76-81.Hong Feng,Shan Ren-zhong,Wang Huizhen,et al.A novel dual buck inverter with integrated magnetics[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(6): 76-81.

[19] Yao Zhilei,Xiao Lan,Yan Yangguang.Control strategy for series and parallel output dual-buck half bridge inverters based on DSP control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(2):434-44.

[20] Liu Miao,Hong Feng,Wang Chenhua.Three- level dual buck inverter with coupled-inductance [C].Proceedings of the Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference,2010: 2153-2160.

[21] Kai Zhuang,Xinbo Ruan.Control strategy to achieve input voltage sharing and output current sharing for input-series-output-parallel inverter[C].Proceedings of the 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference,2008: 3655-3658.