一种优化逆变电源直流变压电路

曹子林， 陈戈珩， 李文秀

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

随着人类文明的发展，人类社会对石油、天然气等不可再生资源的消耗量越来越大，因此给人类带来了负面影响，如温室效应、酸雨、臭氧层空洞等问题。新能源的开发利用顺势而生。

随着世界新能源行业的发展，国内新能源行业紧追不舍，国家大力投资光伏发电，风光互补技术不仅对节能减排具有积极意义，同时对于提高国家科研能力具有深远意义。

文中斩波式直流变压电路可用于风能发电，光伏发电逆变系统弥补了以往将升压电路和降压电路独立设计的不足，减小了响应延时，有效缩短了控制系统运算时间。

1 逆变电源直流变压电路工作原理

1.1 斩波降压电路（Buck Chopper）

降压斩波电路（Buck Chopper）等效电路及数据分析如图1所示。

图1 降压斩波电路的原理图及波形

图1（a）中功率模块属于全控型器件，本设计采用德国生产IGBT。D单向导通二极管，续流作用。由图1（b）中V的栅极发射级电压UGE分析，当IGBT处于导通状态，输入电源Ui为R供电，UD＝Ui。当IGBT处于断开状态时，负载电流经二极管D续流构成回路，抑制电流突变电压UD近似为零，约为1V上下，在高压电路中可忽略不计。至一个周期结束，再由控制系统驱动IGBT导通，重复上一个周期动作，负载电压的平均值为：

式中：ton——IGBT处于通态的时间；

toff——IGBT处于断态的时间；

T——开关周期；

α——导通占空比，简称占空比或导通比，α

由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比α，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

1.2 升压斩波电路（Boost Chopper）

升压斩波电路（Boost Chopper）的原理图及波形如图2所示。

图2 升压斩波电路的原理图及波形

电路也使用一个全控型器件V。由图2（b）中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时，Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为（Uo－Ui）I1ton。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：

输出电压：

上式中的T／toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

1.3 传统变压电路存在的问题

传统直流升压电路和降压电路采用独立设计方案，需要两套几乎完全相同的控制系统，编程时子程序较繁琐，且两种电路基本原理类似，硬件电路中使用元件60%可以共用，但由于工作方式独立，并不能达到统筹规划、节约资源的目的。因此，传统设计方案需要改良，且完全可以合并为一个双功能斩波变压电路。

2 逆变电源直流变压电路优化设计

2.1 逆变电源直流变压组成结构

逆变电源直流变压组成结构如图3所示。

图3 组成结构

2.2 直流斩波变压电路优化设计

升压和降压斩波电路结构简单，但它们只能执行升压和降压功能，且操作起来麻烦，还增加了额外的开支。

文中将升压和降压斩波电路合并，直流变压电路优化设计如图4所示。

图4 直流变压电路优化设计

VT1，2L1，D2构成降压电路。当VT1导通时，二极管截止，电流通过电感2L1给负载供电，当VT1截止时，电感2L1通过二极管D2给负载提供电能，由能量守恒可推得负载电压下降。VT2，2L1，D2构成升压斩波电路。当VT2截止时，电源给电感2L1储能充电，当VT2截止时，电源和电感同时给负载供电，从而提高了负载的电压。

图中传感器3T1起到过流保护的作用，当电流过大时，S1受控自动断开，阻止电源继续供电，电路2R3，2C1及电路2R4，2C2的作用是吸收电流。下面以电路2R3，2C1举例说明。当IGBT导通时，电感2L1积蓄能量，当IGBT截止时，电感释放能量，这时如果电流过大，全控器件IGBT很容易被击穿，2R3，2C1及二极管构成的电路可以吸浪涌峰压，从而起到保护全控器件IGBT的作用。下面介绍电池BT的作用：当电感2L1中的能量没被释放完全时，多余的能量被电源储蓄起来，当电感中的电流过小时，蓄电池也可以为负载供电，所以，它起到了节约能源和为电路提供能量的作用。

3 结论与展望

直流升压电路和直流降压电路在之前的设计中一直采用独立变压模式，虽然可以完成相应功能，但生产成本较高，采用本设计直流变压电路后，将斩波升压和降压电路合二为一，有效地利用了现有元器件，降低了生产成本，且功能更加完善，并在简化电路结构的同时，减少了采样环等元件的使用。

文中提出的直流变压电路优化方案有待实验验证，希望能为业内设计人员提供理论参考。

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