一种基于级联回路控制和前馈补偿的高效逆变器

任 英

(无锡工艺职业技术学院电子信息系，江苏无锡 214206)

通常在设计和开发传统逆变器架构的时候，需要针对一个给定的负载保证某个特定的性能水平。设计过程通常需要用到某些负载特性，从而简化设计过程，并降低产品成本。这种方法产生的结果是针对特定的目标负载会使用一种成本较低但应用灵活性较差的产品［1－4］。

本文研究的结构可以给任何负载供电，同时达到较高的性能水平。按照最初的设计，逆变器旨在提供一个240 V的正弦输出电压给通用的UPS设备，而其负载特性是完全未知的。而且由于设计所产生的模块化特性，该架构可以在许多领域中得以应用。

1 电力电子架构

本文提出的逆变器结构由2个功率处理阶段组成(如图1所示):升压过程和逆变过程。输入的电源经整流后提供一个标称值为340 V，随后经过升压过程，通过高频变压器提供准确的420 V电压，该值与地线有1 500 Vrms的隔离。420 V输入给非变压器的逆变器，从而提供了脉冲宽度调制的波形，最后该信号经过对称的低通LC滤波器最终输出。

图1 电力电子架构示意图

1.1 升压过程

升压器输入的直流电流通过一个1.1 kW、25 kHz的MOSFET全桥变换器，然后经过一个高频变压器和多个二级整流器。二级整流器以串联堆叠的形式馈送到单个电感和电容的低通滤波器。这种转换器的输入电压范围是160～400 V，允许的供电电源范围是140～275 Vrms。在整个输入电压范围内保证输出电压调节到420Vdc±0.5%，同时通过定制设计的变压器耦合传感器还可以提供电压、电流和变压器磁通反馈。

如果需要可以将一个96 Vdc的电池通过一个二极管连接到升压变压器中心抽头，将电池的负极与整流器供电电源的负端相连，或者通过二极管将192 Vdc电池直接跨接在整流电源上。当电源发生故障时，整流电源电压衰减，升压器的输入电压下降，直到电池二极管变为正向偏置为止，此时电池可提供给负载能量。在电池工作期间，变压器的中心抽头和电池之间的连接具有电压倍增效应，这使得升压器工作在2倍的电池供桥电压条件下。升压器输入电压的最小值要求电池具有80 Vdc或160 Vdc的放电电压才能保证升压器的性能。

1.2 逆变过程

逆变器阶段采用的是一个1.5 kW、25 kHz的MOSFET全桥非变压转换器，将接收到的420 Vdc的升压器输出电压，通过脉宽调制技术产生一个240 Vac的输出。由于逆变器并非完全隔离，在逆变器的调制频率上，升压器输出的420 Vdc电压与其有一个共同的电压分量。低通滤波器是由2个电感器和1个电容器组成的，2个电感器分别连接逆变器的输出管脚。除去隔离和来自逆变器的电压变换，能够显著地增强逆变器的性能，即允许直流耦合以及更大的带宽和更低的输出阻抗。逆变器的一个输出管脚连接在电容器的参考地上，使得电子控制装置处于地电位，并通过一个接地的参考电阻释放感应电流。

2 逆变控制结构

本文所述的控制方法是基于如下的2个级联控制回路(如图2所示)来馈送恒定频率的PWM调制信号。内部的电流控制回路通过电流参考电压和电流反馈电压来产生误差信号。这个信号直接馈送到PWM调制阶段。该模块的输出电压以前馈信号方式添加到电流参考信号中，以确保在负载发生变化时的线性特性。因此，这个循环回路可作为一个线性的跨导放大器。

图2 级联控制环路示意图

图2中，电压控制回路是利用参考电压和反馈电压产生电压的误差信号。受限于二极管的开关特性，电压误差信号会馈送到电流控制回路作为电流参考信号。该模块的电流控制是通过改变电流参考信号的门限值来实现的。电压反馈信号来自隔直流的电容电阻衰减器，它实现了从直流至1 Hz的衰减。

2.1 循环补偿

对于PWM调制操作的开环链路，调制的偏移电压峰峰值为3 Vpp，在过滤器之前会产生一个800 Vpp的偏移输出电压，这样就形成了系数为267的电压增益。如果使用完整的轨对轨的840 Vpp电压，将会导致恶劣的非线性特性，从而降低性能。

为了满足对直流电流敏感的负载(即变压器等)的要求，反馈放大器采用PI。对于12.5 A的输出电流，需要将反馈电压在信号汇聚点保持在3 V(在运算放大器阶段确保低THD)，反馈增益为Iout/4.17。输出电流经过25 mΩ的电阻并受差分放大器的控制，即使电阻是接地的也需要受差分放大器的控制，以避免地电流引起的共模电压干扰。

得到要求的增益为

假设增益频率远大于滤波器的截止点(即滤波器是2.2 mH的电感)，式(5)计算了电流环路增益。为了满足所需的5.6 kHz增益(电流放大器带宽的设计目标，且调制造成的影响足够低)，放大器的前向增益AI为0.829。为了建立积分的传递函数，需要在418 Hz处添加一个极点，其值远低于滤波器1.2 kHz的截止频率。通过计算表明在增益频率处的补偿所造成的影响是微乎其微的。

2.2 电压放大器补偿

假设一个理想的内部电流环路的跨导为4.17，输出阻抗主要是电容性的(8 pF)。这里需要注意的是该滤波器电感受电流阶段控制，所以在线条件下会被吸收在电流回路中，并不会作为过滤器中的无源元件。为了满足对直流电压敏感的负载(即变压器等)要求，反馈放大器采用PI。对于340 Vp的输出电压，在汇聚点保证反馈电压的峰值小于3.8 Vp。(运算放大器阶段确保低THD)，因此反馈增益为Vout/90。输出电压由一个接地参考电阻实现分压。

得到要求的增益为

电压的环路增益由式(10)给出。为了使其增益频率同样等于内部电流环路的增益频率5.6 kHz(可以保证最大的闭环带宽，且有足够的相位余量)，可得放大器的前向增益AV为0.165。除了对电压反馈分压增加一个隔直流电容，截止频率为1 Hz，还要在传递函数的130 Hz处添加一个极点。这2项措施可以既降低运算放大器的偏移影响，又确保输出的直流电压分量不超过10 mV。在我们所关心的电源频率范围(40～70 Hz)，为了降低输出阻抗，分别在100 Hz和500 Hz处加入极点和零点，这样能够获得10倍的增益。

2.3 大信号的不稳定性

在实际使用中，在去除短路之前，电流回路的误差较小，参考电流信号和反馈电流信号的大小相近。当去除短路时由于电流回路放大器的饱和，会在最低相位余量频率处(2 kHz)，电压回路存在不稳定性。除去短路后，输出电感所储存的能量和高带宽的电压控制回路会向相反极性驱动电流误差信号，且速度比输出电流(以及反馈电流)要快，这就导致很大的电流误差信号，从而使放大器饱和。

控制放大器饱和的方法是检测电流误差信号是否超出了PWM的补偿范围，接着对输入参考电压采用较大的负反馈，使得电流误差信号脱离饱和。在具有多个并行阶段的系统中，这种不稳定只发生在所有电流放大器均是饱和状态的情况下，因为任何一个线性工作的电流放大器是可以抑制其它放大器的。因此在恢复阶段，为了防止输出性能下降，只有在所有放大器均饱和时才触发负反馈功能。

2.4 前馈补偿

另外一种替代的保护方法是将输出电压反馈到电流参考信号，将电流环路改为P类型。为了确保误差在最坏的情况下，反馈也足以将电流误差驱动到放大器的线性区域内，需要明确反馈量的大小，以确保从瞬态中恢复。

反馈在线性工作条件下是前向的，因此系统的传递函数是作为前向反馈项出现的。在正常的工作条件下，也就是在不影响系统性能的前提下，电压控制回路可以完成补偿任务，此时这个前馈项的幅度很小(即前馈项为一个小的扰动输入)。当存在多个并行的功率级时，由于前馈项的存在，可能会导致循环电流的增加，这是由不同电流回路间的前馈项不完全匹配造成的。

3 并行模块

从电压环路增益的计算中可以看出:如果电流回路的跨导比率和输出电容保持恒定，那么电压环路的补偿对于不同的输出功率也保持不变(前提是滤波器的截止频率与电流环路的增益和相位是不变的)。因此，增加并联电流回路和功率级数(如图3所示)会使输出功率成倍增加，每一级都是本文所分析得到的1.5 kW。而且，如果每一级滤波器和电流环的跨导增大或缩小，那么该功率级也会随之变化。

通过利用级联的控制回路，在单独电压回路的控制下设置任意数量的跨导放大器，该结构就会产生增益的效果。如果将电压补偿设计成与电流级数的数量无关，每个模块输出各自的电流参考信号，那么该架构就允许模块化扩展，通过使用额外的冗余模块对工作模块进行调整。

电压误差信号和电流参考信号通过缓冲和分发方式，在模块之间达到共享的效果。由于电流参考信号(电压误差信号)带宽为5 kHz，且存在25 kHz的相位，所以信号分配网络需要具备大于100 kHz的带宽。

图3 并联模块方法示意图

每个模块使用高共模抑制比(CMRR)的放大器重新生成每个模块内的电流参考信号。在分配电流参考信号之前，应当设置系统电流的门限，以保证电压环路补偿相对于每个模块的跨导不同时，每个模块可以有不同的设置。这种技术具备较强的鲁棒性，即使在强干扰的环境中也会工作得很好［6－7］。

由于反馈给每个模块的电流参考信号是相同的，每个模块会按照其跨导成比例地输出电流和功率。在无负载时，由于参考信号的分配所造成的累积误差，模块之间存在约5%的循环电流。当负载比率大于5%时，这些误差并不明显，循环电流可以忽略不计。

还可以设置额外的电路与电流参考信号和实际模块的输出电流进行比较，以确定模块工作是否有故障。如果比较后得到的误差信号比较小，那么模块工作正常。如果检测到较为明显的误差，则表明该模块有故障。此时任何故障模块都应该自动关闭，并以最快的速度断开逆变器的输出［8］。

在一个模块失效的情况下，为了纠正系统的瞬时电压，电压误差信号和电流参考信号均会有所增加。分布式输出滤波器所存储的能量为级联控制回路在其各自的带宽内纠正这种错误提供了可能。

本系统允许存在任意数量的模块，以保证任何单个模块的失效都不会对系统性能造成影响。虽然由于元件数量的增加，模块发生故障的可能性也会相对比较高，但是系统的实用性也大大增强了。在任何一个系统中(n＞1)，增加一个独立的冗余模块会使系统的MTBF独立于模块，并由系统管理模块的MTBF所决定。

4 结束语

本文的架构已经成功地应用在从500 W到12.5 kW的一系列UPS设备上，并对关键的应用程序表现出高性能和实用性。由于逆变器提供了近乎理想的低频功率放大器的特性，它可以用于任意波形信号发生器的供电和可变频率的交流电源。对于一些潜在应用还包括作为功率放大器应用于地质勘探、振动试验设备、亚音速放大结构测试以及低频率的音频放大。

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