独立控制组合Boost直流变换器型高频环节逆变器

陈艳慧，陈道炼

（福州大学电力电子与电力传动研究所，福建 福州350108）

0 引 言

对直流变换器型高频环节逆变器的研究主要集中在两级级联单向直流变换器型［1］、准单级单向高频脉冲直流环节Buck型［2］、准单级单向／双向直流变换器型［3，4］高频环节逆变器。而输入侧并联、输出侧反向串联构成的组合式直流变换器型高频环节逆变器，是近年来研究探索的课题。

本文对组合Boost直流变换器型高频环节逆变器的电路结构与拓扑、电压瞬时值反馈独立控制策略、稳态原理等进行了深入研究，并给出了关键电路参数设计准则和仿真结果。

1 电路结构与拓扑

组合Boost直流变换器型高频环节逆变器电路结构与拓扑实例，如图1所示。该电路结构是由两个相同的隔离双向Boost型直流变换器输入侧并联、输出侧反向串联构成，其单端式拓扑实例如图1（b）所示。其中N13、N23分别为变压器T1和T2的磁复位绕组，D1和D2为磁复位二极管。

2 控制策略

组合Boost直流变换器型高频环节逆变器采用电压瞬时值反馈独立控制策略，如图2所示。将误差电压ue1、ue2与同一单极性三角载波信号比较生成的信号通过逻辑电路控制各功率开关；两个直流变换器的占空比D1、D2分别为S11和S21的占空比，两者相互独立，无固定关系。

3 稳态原理特性

两个直流变换器均为双向功率流，工作在电感电流连续模式。理想情况下，忽略线路杂散电阻、功率开关导通电阻、变压器漏感等，直流变换器 在D1Ts和（1－D1）Ts期间的等效电路如图3所示。

图3（a）中所示等效电路的状态方程为

图3（b）所示等效电路的状态方程为

式（1）、式（2）乘以D1加上式（3）、式（4）乘以（1－D1），令d iL1／d t＝0、d uo1／d t＝0，可得状态变量的稳态值为

图1 组合Boost直流变换器型高频环节逆变器电路结构与拓扑实例

图2 独立控制框图及原理波形

图3 直流变换器I在高频开关内的等效电路

同理可得直流变换器II各状态变量的稳态值为

由式（7）、式（8）可得一个开关周期内输出电压的稳态值为

由式（6）、式（8）可知，IL1和IL2符号相反，一个直流变换器正向传递能量时，另一个直流变换器反向回馈能量。

4 关键电路参数设计

设计思路：先确定高频变压器的匝比，再确定输出滤波电容电压的直流分量Udc、不同输入电压下占空比变化范围，最后得到磁复位绕组的匝数。

4.1 高频变压器匝比

取高频变压器的匝比N2／N1＝2.5。

4.2 输出滤波电容电压直流分量U dc

输出滤波电容Cf1上电压为

式中，Uo，rms为输出电压有效值。由式（10）得

这里取Udc＝170 V。

4.3 磁复位绕组匝数N 3

由式（10）可得不同输入电压下占空比变化范围为

磁复位绕组N3／N1≤D1min，这里取N3／N1＝D1min。

4.4 功率开关电压应力

功率开关电压应力为：

4.5 功率开关电流应力

组合Boost直流变换器型高频环节逆变器储能电感L1，电流峰值IL1p及功率开关在一个高频开关周期内的最大有效值分别为：

4.6 储能电感

储能电感上最大电流纹波为

可得

4.7 有源箝位电路

采用有源箝位电路抑制功率开关S11、S21漏源两端的电压尖峰。有源箝位电容CC1、CC2分别为

5 仿真分析

设计实例：输入电压Ui＝18～32 VDC，输出电压Uo＝115 V，400 Hz AC，额定容量S＝250 VA，负载功率因数－0.75～1～0.75，开关频率fs＝50 k Hz，变压器匝 比 N2／N1＝2.5，N3／N1＝0.15，耦 合 系 数0.9999，储能电感L1＝L2＝20μH，输出滤波电容Cf1＝Cf2＝20μF，有源箝位电容CC1＝CC2＝2.2μF。

逆变器在额定输入电压27 V、阻性满载时的稳态仿真波形，如图4所示。仿真结果表明：（1）储能电感电流iL1、iL2符号相反，也即其中一个直流变换器正向传递能量时，另一个直流变换器反向回馈能量；（2）输出滤波电容电压uo1、uo2为具有相同直流分量、相位相差180o的低频脉动直流电压；（3）输出电压为115 V，400 Hz正弦电压。

6 结束语

本文深入研究了组合Boost直流变换器型高频环节逆变器的电压瞬时值反馈独立控制策略、稳态原理特性和关键电路参数设计，仿真结果证实了这类逆变器独立控制策略理论分析的正确性和可行性。

图4 组合Boost直流变换器型高频环节逆变器仿真波形（U i＝27 V，R L＝52Ω）

［1］ Sudip K Mazumder. A novel zero－voltage－switching scheme for renewable／alternative energy based high－frequency－AC－link inverter［C］.Pr oceedings of Inter national Conference on Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.IEEE.2009，2218－2223.

［2］ Daolian Chen.Parallel inverters with high frequency pulse dc link［C］.Proceedings of the 24thApplied Power Electronics and Exposition IEEE.2008，1623－1627.

［3］ Feng T，Chen F，Rusto m K，et al.Pulse frequency modulation with soft－switching flyback single－stage inverter［C］.Proceedings of the 32th International Telecommunications Energy Conference （INTELEC）.Orlando.IEEE.2010，1－6.

［4］ Toh L S，Ramli M Z，Salam Z，et al.AC voltage regulation of a bidirectional high－frequency link converter using a deadbeat controller［C］.Proceedings of the 41stIAS Annual Meeting Conference Record of Industry Applications Conference.Tampa.IEEE.2006，1045－1052.