基于简化H桥的单相电流型变换器研究

粟 梅，邓书豪，刘永露，杨 建，韩 华

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

单相变换器广泛应用于LED灯驱动、太阳能发电、不可间断电源、光伏系统以及V2G(Vehicle-togrid车辆到电网)等场合［1］。但是单相变换器存在固有的二次功率脉动问题［2］，这会引起直流侧电容电压或电感电流的低频振荡，导致LED灯产生低频闪烁［3］，光伏板的效率降低［4］，电池负载过热［5］等不期望的现象。而在某些特殊的应用场合，如V2G系统，要求变换器可以实现能量在电网和电动汽车蓄电池之间的双向流动，还能为电网提供无功调节和改善电能质量等辅助服务［6－7］。但传统的单相变换器应用于V2G等电池负载中时只能对电池进行充电，不能实现能量的回馈。

针对上面2个问题，就单相电流型变换器而言，常用的解耦技术是增加一个额外的桥臂和一个解耦电容来消除二次脉动功率的不利影响［8－9］，但它需要和整流电路共用一个桥臂，这使得系统的调制策略和控制算法变得复杂;而对于具有双向能量流动功能的单相电流型变换器的研究相对较少。基于此，笔者提出2种基于简化H桥的单相电流型变换器拓扑，可分别实现二次功率解耦和将电池中的能量回馈到电网的功能;最后，在原型样机上进行相关实验，验证所提拓扑结构的正确性。

1 简化H桥拓扑

由于电流型拓扑中输出电流不能反向，则将标准的H桥拓扑用于单相电流型变换器中时，开关器件存在冗余。通过去掉冗余半导体器件，得到如图1所示的简化拓扑。根据具体拓扑结构的分析可知，它具有4种开关状态，如图2所示。开关状态1和3中均只有一个开关导通，为续流模态;开关状态2中有2个开关均关断，电流由电容正极流进负极流出;开关状态4中2个开关均导通，此时2个二极管反向截止，电流从电容负极流进正极流出。

图1 简化的H桥拓扑Figure 1 Simplified H-bridge topology

图2 简化的H桥拓扑开关状态Figure 2 Switching states of simplified H-bridge

2 二次功率解耦工作原理及控制方法

2.1 二次功率解耦拓扑

将简化的H桥拓扑串联到常规的单相电流型变换器的直流端，可得如图3所示的二次功率解耦拓扑，直流负载可以是阻抗性负载或电池负载。

图3 简化的H桥拓扑用于解耦Figure 3 Simplified H-bridge acting as a power decoupling circuit

假设输入电压ug和输入电流ig为

式中 V为输入电压幅值;I为输入电流幅值;ω为电网电压频率。则瞬时输入功率可表示为

通过对开关状态的合理选择可实现简化H桥中的电容Cab完全吸收式(3)中的二次脉动功率0.5VI cos(2ωt)，从而保证中间直流恒定，即确保输出功率恒定。

忽略系统中的损耗，则解耦电容电压变化规律可表示为

式中 u0是解耦电容电压的平均值。通过控制解耦电容实际电压按式(4)的规律变化即可完成二次脉动功率的吸收。

2.2 用于解耦时简化H桥电路的控制方法

当简化的H桥用于解耦时，解耦电容电压数学模型可表示为

式中 dd表示解耦电路在开关频率fs的情况下接入主电路的时间和工作方式，|dd|/fs表示每个开关周期解耦电容Cab接入电路的时间，dd为正(负)表示解耦电容充电(放电)。开关频率远大于电网频率的情况下，为了跟踪式(4)中的参考值，dd可以选择一个比例控制器即可。结合式(5)，可得dd的最终表达式为

图4 简化H桥作为解耦电路时的控制框图Figure 4 Control diagram of simplified H-bridge using as a decoupling circuit

3 能量双向流动拓扑工作原理及控制方法

3.1 能量双向流动拓扑

将简化的H桥拓扑与常规的单相电流型变换器的负载并联，即可实现能量双向流动功能，其拓扑结构如图5所示，其中负载为电池，电容Cab主要起到滤波的作用。这时简化的H桥拓扑相当于一个电流换相器，用于控制流过负载电流的方向，以实现充放电功能。

图5 简化的H桥拓扑用于能量双向流动Figure 5 Simplified H-bridge which can realize bidirectional power flow

当系统工作于充电状态时，输入侧为电网，输出侧为电池，简化的H桥工作在开关状态2和续流状态。此时简化的H桥相当于一个升压变换电路，整体看来该系统是一个buck-boost电路，输出电压的范围较常规电流型变换器更宽。

当系统工作于放电状态时，输入侧为电池，输出侧为电网，简化的H桥工作在开关状态3和续流状态。此时简化的H桥起到电流换相的作用并具有降压的功能，整体看来该系统仍是一个buck-boost电路。

3.2 用于电流换相时简化H桥电路的控制方法

当简化的H桥用于电流换相时，为了减小损耗，直流电流idc被控制成正弦半波，即

这样整流级占空比大小固定为I/Idc，简化了整流级的调制算法。简化的H桥电路用以控制每个开关周期电池接入主电路的时间和方式(充电或放电)以达到维持直流侧电感伏秒平衡的目的，为了使实际电流值快速跟踪参考电流，控制器中使用了比例－积分控制器，控制框图如图6所示，其中，udc=mV cos(ωt)2为整流级输出电压，m为调制系数，当m为正(负)时表示能量由电源(负载)向负载(源)传递。类似地，d2表示电池负载在开关频率fs的情况下接入主电路的时间和工作方式，|d2|/fs表示每个开关周期负载电池接入电路的时间，d2为正(负)表示电池充电(放电)。

图6 简化的H桥拓扑用于实现能量双向流动时的控制框图Figure 6 Control diagram of simplified H-bridge which can realize bidirectional power flow

4 实验

为验证所提拓扑的正确性，笔者在实验室搭建原型样机进行相关验证。实验参数配置:输入电压ug幅值为90 V，频率为314 rad/s;输入滤波电感Lf为0.6 mH，输入滤波电容Cf为20μF。对于解耦拓扑，输出滤波电感Ldc为3 mH，解耦电容Cab为90 μF，阻性负载大小为8.7Ω，u0取为80 V;对于能量双向流动拓扑，考虑到控制的动态响应，输出滤波电感Ldc取1.6 mH，由于Cab只起到滤波作用，取20μF即可，电池负载为120 V/20 AH。控制芯片采用德州仪器公司的TMS320F28335，脉冲信号发生装置采用FPGA EP2C8T144C8N。

如图7所示，图7(a)是将简化H桥用作解耦电路时变换器输入电压、输入电流、解耦电容电压、输出电流的实验波形。中间直流电流参考为4 A，开始时解耦电路未使能，然后突然给定使能信号。由图7(a)可知，由于解耦电路的投入，二次功率被吸收，输出电流由近似正弦半波变为纹波较小的直流电流;解耦电容电压因为吸收了二次脉动功率而按式(4)所描述的规律变化。这说明了简化的H桥电路解耦应用的可行性。

图7 实验波形Figure 7 Experimental waveforms

图7(b)和(c)是将简化H桥用作电流换相器时变换器输入电压、输入电流、电池电压、充电电流的实验波形，其中，Idc设置参考为4 A。由图7(b)和(c)可知，充电运行时，输入电压与输入电流同相位，电池吸收能量;放电时，输入电压与输入电流反相位，电池释放能量。验证了简化H桥作为换相器的正确性。值得注意的是，常规的单相电流型变换器直流侧电压要小于网侧电压幅值，而该文提出的电流换相器拓扑还能起到升降压的功能，扩展输出电压范围。

5 结语

笔者研究了简化的H桥拓扑在单相电流型变换器中解耦和实现能量双向流动的应用，并在实验样机上进行了相关实验。实验结果表明:将简化的H桥串联到变换器输出端通过合理的控制，可以有效消除入网侧二次功率脉动;将简化的H桥与电池负载并联可实现能量反馈回电网，并扩展了变换器输出电压的范围。将2个简化的H桥用于同一个单相变流器中，同时实现解耦和能量反馈的功能是该文后续研究内容。

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