双Buck半桥逆变器混合PWM控制策略

念 平 林琼斌

（福州大学，福州 350116）

双Buck半桥逆变器混合PWM控制策略

念 平 林琼斌

（福州大学，福州 350116）

本文研究一种双Buck半桥逆变器的混合PWM控制策略。该PWM控制策略使逆变器工作在半周期调制，通过判断电感的工作状态来确定电路的控制模式。在电感电流连续模式（CCM）时逆变器采用电压电流双环控制。而在电感电流断续模式（DCM）时，通过分析出电感电流断续工作时的占空比和连续工作时占空比的映射关系，使得逆变器在线性连续工作区和强非线性的断续工作区均能良好地跟踪给定值，减小了双Buck半桥逆变器在半周期脉宽调制下的波形畸变问题。

双降压半桥逆变器；半周期调制；混合控制；波形畸变

双Buck半桥逆变器（DBHBI）是一种具有高可靠性的逆变器[1]。按照开关频率是否固定划分，它的控制方式可以分为PWM控制和滞环控制。按照电感电流工作时间划分，它的控制方式可以分为全周期调制和半周期调制。

PWM控制在全桥逆变器中广泛的应用，是一种恒频的线性控制，电路参数易于设计。双Buck半桥逆变器的PWM控制策略有全周期正弦脉宽调制（FC-SPWM）和半周期正弦脉宽调制（HC-SPWM）两种。FC-SPWM的两个开关管在整个工频周期内均为高频工作，对应的两个电感都有电流且连续[2]。这种调制方式存在环流问题，并且增加了功率管损耗和滤波电感损耗，降低了系统效率。与FC-SPWM相比，无偏置电流的半周期调制方式（HCM）是一种高效，高可靠性的调制方式[3]。在任一个开关周期内只有一个开关管工作，任意时刻只有一个电感有电流，两支电感工频半周独立工作，具有更高的系统效率。

对于双Buck半桥逆变器，采用HC-SPWM时，在电感电流断续情况下输出电压波形存在严重畸变，并且波形畸变因负载大小而变动。因而给控制上带来了很大的难度。文献[7]中对的双降压全桥逆变器进行研究，采用HC-SPWM时并网电流电流由于电感电流断续引起畸变，使得并网电流波形质量变得很差。文中提出了重复控制来降低电流畸变率。但是重复控制器的动态响应很慢，影响了逆变器的动态性能。

具有非线性控制性质的的滞环控制在双降压逆变器族中得到广放的应用[4-6]。但是滞环控制存在开关频率变动范围大，输出电压谐波频谱宽，滤波器难以设计，适用功率级别小等缺点。

本文针对双Buck半桥逆变器采用HC-SPWM时的波形畸变问题，提出了基于电感电流连续和断续分别控制的混合控制算法。推导了电感电流断续时算法公式，以及两种控制算法的切换条件与切换方式。该算法将非线性的输入输出关系映射为线性关系，从而能够通过线性的控制方式来达到很好的控制效果。仿真与实验结果验证了该控制方式的可行性。

1 原理与设计

1.1 电感两种工作状态下的占空比关系

双Buck半桥逆变器在半周期调制时，电感电流存在断续的工作状态，电感电流断续会对输出电压产生较大的波形畸变。因此，分析电感电流连续和断续工作时的电路关系是十分必要的。

首先求出电感电流连续时的占空比表达式。以正半周工作为例，电感电流连续工作时，如图1所示，双Buck半桥逆变电路只有模态1和模态2两种模态，稳态工作时，输入输出之间的关系是线性的。有如下表达式：

式中，Ud为直流输入电压；Uo逆变输出电压的开关周期平均值；Dccm为逆变器的电感电流连续工作时的稳态占空比。

而电感电流断续工作时，电路还存在第三种模态，如图1（c）所示，此时电感电流断流，只有电容对负载传输能量。

图1 双降压半桥逆变器存在的3种模态

电感电流断续时，如图2所示，二号实线为断续电感电流，IL为电感电流开关周期平均值（在正半周时IL=IL1，负半周则IL=IL2），对应的占空比为断续模式占空比Ddcm；一号虚线为连续电感电流，对应占空比为Dccm；三号虚线为临界电感电流，ILb为临界电感电流平均值，对应的占空比为临界模式占空比Dbccm，此时它的峰值为2ILb。

图2 DCM时的IL与ILb的关系

由于电感电流连续时，稳态工作时的占空比Dccm的求解条件与临界模式占空比Dbccm的近似相同，因此有Dccm≈Dbccm。

根据三角的比例与面积关系可得，电感电流断续时的占空比与临界时的占空比的关系表达式如下：

则电感电流断续时的占空比为

其中，临界电感电流可由下式求得

式中，Uo_ref为指令逆变输出电压；L为电感值，L1=L2=L；fs为开关频率。

可以看到，电感电流断续时的占空比与临界时占空比之间存在一个系数关系，而这个系数是个非线性的。通过这个表达式，可以通过求出ILb，采样得到IL，以及电感电流连续时的稳态占空比Dccm，即可得到断续工作模式时的占空比Ddcm。

1.2 基于CCM/DCM混合控制算法的双环控制系统

控制系统如图3所示，该闭环控制系统为电压电流双环控制与混合控制模式结合。在系统判定电感电流连续时，即当|IL|≥|ILb|时，电路进行正常的双环控制；而在系统判定电感电流断续时，即当|IL|≤|ILb|时，电路同样进行双环控制，闭环输出的占空比通过非线性的映射关系得到最终的占空比控制量。

图3 控制系统框图

由于前文推导出来的占空比解析解，与电感感量和电感电流，输出电压等关系密切。然而因为电路参数分散性，无法精确获得上述数据，所以本文中电感电流采用采样值叠加上电压误差反馈作为补偿量，从而可以减少电流采样值与实际值之间的误差。

2 实验验证

2.1 仿真实验结果分析

仿真所用参数为：输入直流母线电压Ud为360V，逆变电压输出为220V/50Hz，额定功率为1000W，Cf=12μF，L1=L2=1500μH，开关频率为20kHz。

仿真采用PSIM电力电子仿真软件。为作对比分析，图4为双降压半桥逆变器半周期SPWM调制时，采用传统的双环PI控制器，负载分别为满载，半载和空载的仿真波形。

图4 采用传统的双环PI控制器仿真波形

可以看到，在各种负载情况下的逆变输出均有一定畸变，这些畸变均在电感电流断续工作时引起。其THD分别为10.2%（满载）、7.7%（半载）和10.06%（空载）。

图5 采用混合控制策略的仿真波形

图5 （a）为采用混合控制策略时的uo、io、uA和uB的仿真波形。由仿真波形可见，逆变输出电压正弦度高（满载时的THD为0.9%），没有了半周期SPWM调制的波形畸变问题。图5（b）为对应的两个开关管占空比Ds1和Ds2，以及占空比Dccm，断续与连续的判断标志Flag。可见，在Flag=0时，电感电流连续，正半周时有Ds1=Dccm，负半周有Ds2= Dccm。而在Flag=1时，电感电流断续期间，实际占空比与Dccm呈一定的非线性关系。

2.2 实验结果分析

实验样机控制器采用TI的TMSF28069。实验用功率管为英飞凌的K15H1203，二极管为RHRP8120超快恢复二极管。直流母线电压Ud为180V，逆变输出电压为110V/50Hz，额定功率为250W。其他实验参数与仿真参数相同。

首先对半周期PWM控制时，采用传统的双环PI控制器进行实验。图6为采用HC-SPWM时的双环PI控制，可以看到存在的明显的波形畸变问题。其THD分别为16.6%（满载）、13.8%（半载）和30.4%（空载）。

图6 采用HC-SPWM双环PI控制的实验波形

图7 所示是采用本文所提的混合控制策略，但未加入电流补偿时带载波形（满载），其THD为7.2%，由于电感电流采样存在误差，直接使用式（4）的控制结果，仍然存在输出电压波形畸变，所以输出电压仍存在一定的畸变。

图7 未加入电流补偿项的满载实验波形

图8 所示是加入了电流补偿的混合控制策略的实验波形，各种负载情况下THD值分别为2.8%（满载）、2.4%（半载）和1.1%（空载）。如图9为在各种负载下输出电压的THD曲线，可以看到，输出电压在整个功率范围内均有较低的谐波畸变。

最后本文针对所提出的控制策略与全周期SPWM控制策略进行效率上的对比。如图10所示，可以看到在整个功率范围内，本文所提出的混合PWM控制策略其效率均优于传统的全周期SPWM控制策略。

图8 加入电流补偿项的实验波形

图9 THD曲线

图10 效率曲线

3 结论

本文针对双Buck逆变器采用恒频半周期SPWM控制存在的波形畸变问题，进行了原理分析，并推导出电感电流连续和断续情况下占空比的非线性映射关系。仿真实验表明所推导的理论和所提出的混合控制算法是有效的。在实物样机制作与调试过程中，引入电压误差前馈补偿，解决了由于采样误差导致的控制效果偏差问题。最终实验结果表明所采用的方案，能有效克服输出电压畸变问题，同时由于开关频率恒定，所以比典型的电感电流滞环控制的适应面更广。

[1] Stanley G R, K. M[J]. Mar, 1999, 14(2): 372-380.

[2] 洪峰, 刘军. 滞环电流控制型双BUCK逆变器[J].电工技术学报, 2004, 19(8): 73-77, 87.

[3] 张喻, 陈新, 洪峰. 双Buck逆变器的控制方法研究[J]. 电力电子技术, 2007, 8: 22-24.

[4] 王赞, 肖岚, 姚志垒, 等. 双Buck电压源逆变器的半周期电流调制方法[J]. 电工技术学报, 2007, 5: 104-110

[5] Yao Zhilei, Lan Xiao, Yan Yangguang. Dual-Buck Full-Bridge inverter with hysteresis current control[J]. IEEE transactions on Aug, 2009, 56(8): 3153-3160.

[6] Zhilei Y, Xiao L. Two-switch dual-buck gridconnected inverter with hysteresis current control[J]. IEEE trans Power ElectronJul, 2012, 27(7): 3310-3318.

[7] Chen B. Current distortion correction in dual buck photovoltaic inverter with a novel PWM modulation and control method[Z]. 2013: 727-731.

Hybrid PWM Control Strategy Research for Dual-Buck Half-Bridge Inverter

Nian Ping Lin Qiongbin
(Fuzhou University, Fuzhou 350116)

The paper study a novel PWM control strategy in dual buck half bridge inverter topology. The circuit control mode of this PWM control strategy is determined by judging the working state of the inductance. In the continuous current mode (CCM), the inverter adopt voltage outer loop and current inner loop control mothod.And in the discontinuous current mode (DCM), through the analysis of mapping relationship between the discontinuous current duty ratio and continuous one, which makes makes the inverter can be a good control of the output voltage tracking a given value in linear or strong nonlinear operation mode under dual loop control method. The waveform distortion of dual buck inverter under half cycle modulation is greatly reduced.

dual buck half bridge inverter; half cycle modulation; hybrid control; waveform distortion

念 平（1990-），男，福建平潭人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子控制技术。