一种新型输出并联型双Boost逆变器

欧阳静 洪 峰 王成华 黄银汉

（1.南京航空航天大学电子信息工程学院 南京 210016 2. 国电南瑞科技股份有限公司 南京 210016）

1 引言

具有升压能力的单级逆变器是电力电子的研究热点。在直—交变换电路中，应用最广泛的全桥逆变器和半桥逆变器只能实现降压变换。若要实现升压逆变需在桥式逆变电路前增加一级可升压变换的直—直变换器。多级结构虽具有更高的自由度，但功率级数量增多，将降低整体效率、可靠性和简洁程度，增加系统开销[1-2]。为此，国际上关于逆变系统研究的一大发展趋势，是直接将多功率级的系统架构整合为单级系统，即所谓单级逆变器（Single-Stage Inverter）[3]。

目前所提出的单级逆变器几乎都是用两个直—直变换器在输出侧串联组合得到[4-5]。输出串联双Buck/Boost逆变器和输出串联双Boost逆变器是其中最常见的两种。输出串联双Buck/Boost逆变器采用两个Buck/Boost变换器在输出侧串联方式构建。Buck/Boost结构既可升压又可降压变换，负载电流THD低，但存在电感电流应力大的缺点，给电感设计带来困难，限制了其实际升压能力[6-7]。输出串联双 Boost逆变器由于 Boost电路只能升压变换，作为其组成单元的两个双向 Boost直—直变换器的输出，必须包含高于输入电压的直流偏置，造成输出串联双 Boost逆变器的升压能力相对 Boost直—直变换器而言减弱了。输出串联型逆变器由于两个直—直变换器全周期工作，电路中一直存在环流，并且开关管的导通损耗大，所以效率并不高[8-9]。

少量研究采用与此相对偶的并联方式，即由Buck、Boost等基本结构在输入侧串联输出侧并联方式构成[10-11]。用于升压变换的是输出并联双Buck/Boost半桥逆变器。相对于输出串联双Buck/Boost逆变器，输出并联双Buck/Boost逆变器具有更小的开关和导通损耗、更低的EMI和更高的可靠性[12]。输出并联型逆变器具有三相共地、无直通等优势，但由于Buck/Boost、反激等拓扑本身效率不高，限制了应用，但这些文献所代表的输出并联方式是一种优秀的研究思路。

为此，本文提出了一种输出并联型双Boost逆变器，它由两个 Boost电路按并联组合方式构成。该逆变器具有较高的升压能力和变换效率，详见下文分析。

2 电路拓扑与分析

输出并联型双 Boost逆变器的电路拓扑如图 1所示。它由两个Boost变换器组成：①由电容C3，电感 L1，开关管 S1、S3，二极管 VD1组成的 Boost变换器1；②由电容C4，电感L2，开关管S2、S4，二极管 VD2组成的 Boost变换器 2。两路 Boost变换器在输入侧串联输出侧并联。C1、C2为输入分压电容。VD3～VD6为开关管 S1～S4上的二极管。逆变器工作时按电流电压可分为四个工作象限，如图2所示。

当该逆变器工作于第一象限且输出电压高于输入电压时仅Boost电路1工作，当该逆变器工作于第三象限且输出电压的绝对值大于输入电压时仅Boost电路2工作，在其他时间Boost电路1和2才同时工作。输出串联双Boost逆变器Boost1、Boost2一直工作于PWM状态。该输出并联双Boost逆变器在各种负载情况下都能正常工作。当负载为阻性时一、三象限工作时间较多，且由下文分析可知S3、S4近似工频调制，通态损耗和开关损耗小，因此变换效率高。

图1 输出并联型双Boost逆变器Fig1 Output parallel dual Boost inverter

图2 逆变器工作象限Fig.2 The working quadrant of inverter

为了便于分析，先做如下假设：电路已经进入稳态，所有器件均为理想器件，电感电容为理想储能元件，输入分压电容均压。稳态工作时电路分为以下几个区段（以下分析参照图4进行）。

（1）[t1～t2]：t1时刻，逆变器工作于第一象限，输出电压uo＞UP，Boost电路1工作，Boost电路2不工作，电感电流iL=iL1＞0。S1PWM 调制；S3保持导通，在 S1关断截止时为电感 L1电流提供续流回路。此阶段电路工作包括模态I和模态II。

工作模态 I：此时 S1、S3导通，S2、S4截止，如图3a所示。电感L1的电流iL1线性上升，S3无电流通过。电容 C5向输出侧负载供电。设 S1导通的占空比为d，当开关S1闭合时

工作模态II：此时开关S3导通，S1、S2、S4截止，如图3b所示。电感电流iL1从S3续流，开始下降。

稳态时，近似认为输出电压在开关周期内不变，联立式（1）、式（2）得

式（3）说明该逆变器可实现升压。

（2）[t2～t3]：t2时刻，电感电流iL过零，由正变负，逆变器工作于第二象限，输出电压 uo＞0，Boost电路 1和 Boost电路 2一起工作，电感电流iL=iL1-iL2＜0。电路工作包括模态 I～IV。

工作模态III：此时S2、S4导通，S1、S3截止，如图3c所示。电感L2的电流iL2线性上升，S4无电流通过。电容 C5向输出侧负载供电。设 S2导通的占空比为d，当开关S2闭合时

工作模态IV：此时开关S4导通，S1～S3截止，如图3d所示。电感电流iL2从S4续流，开始下降。

联立式（4）、式（5）得

（3）[t3～t4]：t3时刻，输出电压uo过零，由正变负，逆变器工作于第三象限，输出电压 UN＜uo＜0，电感电流iL=iL1-iL2＜0，Boost电路 1和Boost电路2一起工作。电路工作包括模态I～IV。

（4）[t4～t5]：逆变器工作于第三象限，电感电流 iL=－iL2＜0，输出电压 uo＜UN＜0，Boost电路 2工作，Boost电路1不工作。S2PWM调制；S4保持导通，在 S2关断截止时为电感 L2电流提供续流回路。此阶段电路工作包括模态III和模态IV。

（5）[t5～t6]：t5时刻，电感电流iL过零，由负变正，逆变器工作于第四象限，输出电压 uo＜0，电感电流iL=iL1-iL2＞0，Boost电路1和Boost电路2一起工作。S1～S4均PWM调制，电路工作包括模态 I～IV。

（6）[t6～t7]：t6时刻，输出电压uo过零，由负变正，逆变器工作于第 1象限，输出电压 0＜uo＜UP，电感电流iL=iL1-iL2＞0，Boost电路1和Boost电路2一起工作。电路工作包括模态I～IV。

由于Boost电路电流只能单向流动，当S1、S3断开时，若通过 L1的电流不为零，此时电容 C3为L1续流，具有抑制尖峰的作用。同理当S2、S4断开时，若通过L2的电流不为零，此时电容C4为L2续流。

当负载为阻性时，随着负载的增大，输出电压和电感电流的相位更加接近，二、三象限工作的时间缩短，逆变器近似半周期工作，S3、S4工频开关，逆变效率高。该逆变器工作在二、四象限时，输出电压和电流不同相，具有能量双向流动的能力，可实现能量回馈。

图3 双Boost逆变器工作模态Fig.3 The working mode of dual Boost inverter

图4 双Boost逆变器仿真关键波形Fig.4 The key simulation waveforms of dual Boost inverter

3 闭环控制策略与仿真

本文采用电压电流双闭环控制策略。电压/电流双闭环控制策略具有输出波形质量好，动态响应快等特点，应用较广泛。其基本原理是：将输出电压与电压基准信号的误差通过 PI调节器得到电流基准信号。将电感电流与电流基准信号的误差通过PI调节器得到驱动信号。其控制框图如图5所示。

运用SABER仿真软件采用图5对双Boost逆变器进行闭环仿真。仿真参数如下：输入分压电容C1=C2=1000μF；L1=L2=100μH；储能电容C3=C4=220μF；开关管采用IGBT，每个IGBT内部都反并联了一个二极管；输入电压 Ud=50V；输出电压有效值Uo=100V；额定输出功率 Po=500W；输出频率fo=50Hz；开关频率fs=25kHz。仿真波形如图4所示。

图5 电压电流双闭环控制框图Fig.5 Block diagram of voltage and current double closed-loop control

由图4可知：仅在输出电压的绝对值小于输入电压时两个Boost电路才同时工作，其他时间段仅有一个Boost电路工作，此时开关管S3、S4处于工频开关状态。并且升压比越高时，Boost电路1和2同时工作的时间越少，损耗越小。逆变器在工作时，电流仅流经两个功率器件，有助于降低开关损耗。因此该电路的开关通态损耗小，电路环流也较小。

4 实验验证

为了验证该拓扑结构的实际性能，设计了一台原理样机，参数如下：输入分压电容C1=C2=1000μF；L1=L2=100μH；储能电容 C3=C4=220μF；开关管采用IGBT IRG4PC40W；输入电压Ud=50V；输出电压有效值Uo=100V；额定输出功率Po=500W；输出频率 fo=50Hz；开关频率 fs=25kHz。空载和满载的实验结果如图6所示。

图6 实验结果Fig.6 Experimental results

由图 6可知：由于该电路不存在直流偏置，Boost电路可以取得较高的升压比。当输出电压的绝对值大于输入电压时仅有一个 Boost直—直变换器在工作，此时只有该路Boost变换器的一个开关管处于调制状态，一个开关管处于导通状态，另外一个 Boost电路的两个开关管处于截止状态。只有在输出电压的绝对值小于输入电压时两个Boost电路才同时工作，因此该逆变器可以取得较高的变换效率。图7是输出不同功率时逆变器的效率曲线。

5 结论

图7 双Boost逆变器效率曲线Fig.7 The efficiency curve of dual Boost inverter

本文提出了一种可实现单级升压的输出并联型双Boost逆变器。相对于输出串联结构该逆变器不存在直流偏置，具有较高的升压比。由于该逆变器在输出电压的绝对值大于输入电压时只有一个 Boost电路在工作，此时只有一个开关管处于调制状态，其他开关管处于工频开关状态，整个电路的开关损耗小，并且整个电路不存在环流，因此该电路具有较高的变换效率。本文针对该结构进行了仿真和实验。仿真和实验结果表明该输出并联型双 Boost逆变器升压能力较高，并具有较高的变换效率。

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