基于升降压斩波电路的三相DC/AC 逆变器研究*

陈 荣

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东 青岛266580)

随着全球能源供应的日益紧张，人们对采用可再生能源的分布式发电技术日益关注［1］。风能发电、太阳能发电和燃料电池等分布式发电系统的高效运行都有赖于电力电子技术。但是，分布式发电系统自身的瞬时输入功率与输入电压变化范围较大，因而对电能变换的主要环节——电压源型逆变器的要求很高，如，要求系统高效运行功率范围宽，具有宽范围输入电压适应能力等。传统的三相电压型逆变器有着自身的缺点:一方面输出电压的幅值最大只能达到直流输入电压值，逆变器工作效率随着输出功率的减少而明显下降［2-3］;另一方面，常用DC/AC 转换器多采用三相桥式主电路，输入为单输入，特别是在软开关技术应用技术方面存在一定欠缺。为了解决上述问题，需要在直流电源与逆变器之间增加Boost 升压电路以适应直流输入电压的变化，增加一级硬开关DC/DC 电能变换，整机效率和可靠性必然受到影响［4-6］;为了延长电力电子器件的寿命和工作的可靠性，需要考虑器件的软开通和关断问题［7］。为了解决上述问题，我们提出了一种单元化基于升降压斩波电路的三相DC/AC 变换电路，本文对其基本的工作原理进行了详细分析，并给出了单相和三相DC/AC 逆变器的参数设计。

1 主电路拓扑及基本工作原理

图1 所示为单相供电主电路拓扑图。电路由两个升降压斩波电路组成。从主电路拓扑图1 可以看出，该电路存在两个电源输入端，一个电源输出端，故又可以称为两输入单输出DC/AC 逆变器。

图1 新型DC/AC 变换器主电路拓扑

当S1导通时，续流二极管D1关断，输入、输出被隔离，其等效电路如图2(a)所示。在电源电压E1作用下，电感电流iL线性增长，电感储能。当S1关断时，电感储能以自感电动势形式释放，续流二极管D1导通，其等效电路如图2(b)所示。电感电流iL通过滤波电容C1、负载电感L 和负载电阻R，负载电压平均值与输入电压E1极性相反。由于采用的升降压斩波电路，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压［8］。

图2 升降压斩波电路工作模式

为了实现DC/AC 转换器功能，需要S1/S2与S3/S4搭配使用。当需要输出电压的反向部分时，开关器件S2常通，开关器件S1起到调节输出电压的功能。同样，当需要输出电压的正向部分时，开关器件S4常通，开关器件S3起到调节输出电压的功能。常规的升降压斩波电路，主要用来进行DC/DC 变换，要求输出电压波动小，抗干扰能力强，在用做DC/AC 变换时，要求输出连续可变，追求的是快速跟随性能，具体实现可通过实时调节升降压斩波电路的占空比实现。

为了实现输出信号对给定正弦信号的高质量跟踪，常用的控制脉冲生成方法是高频三角波调制方法。高频调制方法是三角调制波与正弦参考波进行实时比较，产生需要的控制脉冲，即所谓的SPWM 控制，其优点是系统的开关器件工作频率固定，便于滤除谐波信号。利用升降压斩波电路实现正弦波时，是由正反两组电路输出正弦波的正负半波。在采用开环控制时，直接使用比例微分控制，既保证了波形输出正弦的质量又可以很好的保证响应的快速性，但输出电压的幅值受到输入电压的控制，相应控制框图如图3 所示。当基准正弦波Vref从零开始增加，通过比例积分控制环节后与高频三角波信号做比较产生PWM 信号，PWM信号控制再与给定信号过零信号配合控制开关器件S1、S2、S3、S4的通断，从而输出相应的电压信号。

图3 系统开环PD 控制框图

若要实现三相DC/AC 变换器，只需要将3 个上述单元进行组合即可实现，具体实现如图4 所示。

图4 三相DC/AC 实现框图

2 单相DC/AC 逆变器仿真研究

为了验证前面的理论分析和方案的可行性，利用PSIM 软件仿真［9］，仿真参数如下:三角载波频率为50 kHz;调制参考波为50 Hz 正弦波，L1= L2=10 μH，C1=C2=100 μF，负载电阻R=12 Ω，负载电感L=2 mH。图5 为由PSIM 软件搭建的单相开环比例微分控制三角波调制原理图。

图5 单相开环比例微分控制三角波调制原理图

图6 单相开环控制效果对比图

首先对比例控制和比例微分控制的效果进行对比，仿真结果如图6 所示。从图6 可以看出在正弦电压过零，幅值开始上升时，采用比例控制的要比采用比例微分控制的响应速度要慢，逼近正弦的效果比后者要差，因而在开环控制时选用了比例微分控制。图7 所示为固定给定参考信号，输入电压变化时仿真波形。从图7 我们可以看出，输入电压幅值发生变化，响应的输出电压幅值也发生变化。由上面的仿真结果可知，采用高频三角波调制法可以实现输出电压跟踪给定参考正弦波变化。

图7 输入电压变化时仿真波形

3 三相DC/AC 逆变器仿真研究

在前面分析的基础上，搭建了基于升降压电路的三相DC/AC 逆变电路进行仿真，具体参数如下:三角载波频率为50 kHz;调制参考波为50 Hz 正弦波，L1=L2=10 μH，C1=C2=100 μF，负载为三相电机。图8 为由PSIM 软件搭建的三相PD 控制三角波调制原理图。

图8 三相PD 控制三角波调制原理图

图9(a)为流过电动机三相绕组的电流仿真波形，9(b)为加在电动机绕组两端的电压仿真波形，9(c)为A 相电压、电流仿真波形。仿真结果表明，采用双输入电压、单输出电压的DC/AC 逆变器，其输出电压可较好的跟踪给定参考正弦信号变化，达到了预期的设计目的。

图9 电机负载仿真波形

4 结论

由仿真和实验结果可知，基于升降压电路的三相DC/AC 逆变器方案是可行的，可以实现高频功率变换下的升压和降压工频逆变输出。在开环控制情况下采用比例微分控制，仿真结果中输出电压电流波形的正弦度较好，如果寻找到更优的控制方法，其输出电压可完美逼近正弦参考波形。预期该电路可以用于非隔离式UPS、通信电源和电气传动装置中。

［1］ 钱照明，张军明，吕征宇，等.我国电力电子与电力传动面临的机遇与挑战［J］.电工技术学报，2004，19(8):10-22.

［2］ 明正峰，倪光正，钟彦儒.软开关技术三相PWM 逆变器及效率的分析研究［J］.电工技术学报，2003，18(4):30-34，45.

［3］ 石昆，章坚民，李阳春，等.基于DSP 的三相光伏并网逆变器控制系统设计与实现［J］.电子器件，2011，34(3):273-277.

［4］ 潘飞蹊，涂祺铠，梁昆凯，等.一种Boost 型PFC 电路在DCM 下的恒频控制方案［J］.电子器件，2011，34(4):453-458.

［5］ 李军，张章，杨依忠，等.峰值电流模式非理想Boost 变换器建模［J］.电子器件，2012，35(2):184-189.

［6］ 曾怡达，杨岳毅，王寅浩.改进型无桥Boost PFC 软开关技术的研究［J］.电子器件，2012，35(4):421-426.

［7］ 陈道炼.DC-AC 逆变技术及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［8］ 贺益康.潘再平.电力电子技术［M］.北京:科学技术出版社，2010.［9］ 野村弘，藤原宪一郎，吉田正伸.使用PSIM 学习电力电子技术基础［M］.胡金库，贾要勤，王兆安，译.西安:西安交通大学出版社，2009.