高增益Buck-Boost集成式逆變器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種逆變器及其控制方法，具體涉及一種高增益Buck-Boost集成式 逆變器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在低輸入直流電壓的逆變場合，為了確保輸出穩(wěn)定的交流電能，需要逆變器具有 較高的升壓能力。目前，具有升壓功能的逆變器主要有：Z源逆變器、差動(dòng)式逆變器（如雙 Boost逆變器）、有源升降壓逆變器，其大都存在效率低、器件數(shù)量多、集成度低、控制復(fù)雜、 直流增益不夠等缺點(diǎn)。為此，H. Ribeiro等學(xué)者提出了高增益Boost集成式逆變器，其通過 共用功率器件，將Boost變換器和傳統(tǒng)全橋逆變器集成在一起，并通過非線性單周期控制 實(shí)現(xiàn)直流電壓的栗升。該逆變器具有較高的效率、直流增益和集成度，然而控制較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種僅采用單極倍 頻SPWM調(diào)制，就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電壓栗升和逆變功能，且具有效率高、集成度高、控制方 便、結(jié)構(gòu)簡潔、成本低等優(yōu)點(diǎn)的高增益Buck-Boost集成式逆變器及控制方法。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種高增益Buck-Boost集成式逆變器，包括電容Cin，開 關(guān)管SfS4，升壓電感Lin，二極管DJP D 2，所述開關(guān)管SJP S 2串聯(lián)形成第一橋臂電路，所述 開關(guān)管&和S 4串聯(lián)形成第二橋臂電路，所述第一橋臂電路和第二橋臂電路并聯(lián)形成全橋電 路；所述開關(guān)管SJP S 2的接合點(diǎn)a連接有二極管D i的陽極，所述開關(guān)管S 3和S 4的接合點(diǎn) b連接有二極管D2的陽極，所述二極管D i和二極管D 2的陰極共同連接有升壓電感L ιη的一 端，所述升壓電感Lin的另一端連接有電容C ιη的一端，所述電容C ιη的另一端分別連接有開 關(guān)管&和S 4，所述接合點(diǎn)a和接合點(diǎn)b之間還連接有濾波電路。
[0005] 進(jìn)一步的，所述升壓電感Lin的另一端連接有電容C ιη的正極，所述電容C ιη的負(fù)極 分別連接有開關(guān)管SjP S 4。
[0006] 進(jìn)一步的，所述濾波電路采用LC濾波電路或LCL濾波電路，所述濾波電路還連接 有負(fù)載。
[0007] 本發(fā)明還公開了上述一種高增益Buck-Boost集成式逆變器的控制方法，該逆變 器采用單極倍頻SPWM調(diào)制方式，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0008] 首先，將正弦調(diào)制信號\和三角載波信號V。分別送入比較器A的同相輸入端和反 相輸入端，從而得到輸出信號vgl作為開關(guān)管S i的驅(qū)動(dòng)信號，而比較器A的輸出信號取反，得 到信號vg2作為開關(guān)管S 2的驅(qū)動(dòng)信號。由v JP v。得到的信號
送入比較器B的同相 輸入端，而比較器B的反相輸入端接地，從而得到輸出信號vg4作為開關(guān)管S 4的驅(qū)動(dòng)信號， 該輸出信號的反相信號vg3作為開關(guān)管S 3的驅(qū)動(dòng)信號。
[0009] 進(jìn)一步的，所述逆變器在正弦調(diào)制波正半波的每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作過程包括如 下四種模態(tài)：
[0010] ⑴模態(tài)1，。時(shí)刻前，開關(guān)管S 2和S 4導(dǎo)通，升壓電感L ιη承受反向電壓U。線 性放電，uab等于0 ;在t。時(shí)刻，S 2關(guān)斷，S i導(dǎo)通，二極管D i導(dǎo)通而D 2反偏截止，升壓電感L ιη承受正向電壓Uin，電感電流iUn (t)線性增長，到h時(shí)刻，模態(tài)1結(jié)束；
[0011] ⑵模態(tài)2, t「t2:t i時(shí)刻，開關(guān)管S4關(guān)斷，S3導(dǎo)通，二極管0 p D2導(dǎo)通，Lin仍承受 正向電壓uin，電感電流iUn(t)，繼續(xù)線性上升，到t2時(shí)亥I」，模態(tài)2結(jié)束；
[0012] (3)模態(tài)3, t2-t3:t 2時(shí)刻，開關(guān)管S 3關(guān)斷，S 4導(dǎo)通，到13時(shí)刻，模態(tài)3結(jié)束，該模態(tài) 工作過程與模態(tài)1基本相同；
[0013] (4)模態(tài)4，t3_t4:t3時(shí)刻，開關(guān)管5 1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，二極管01為續(xù)流；升壓電感Lin承受反向電壓Uc，電流iUn (t)由S2、S4的體二極管D S2、DS4流過，且線性減小；到14時(shí)刻，模 態(tài)4結(jié)束；下一個(gè)開關(guān)周期開始，重復(fù)上述步驟（1)~（4)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述逆變器的直流增益
式中
為逆變器 的調(diào)制比；為正弦調(diào)制波幅值，為三角載波幅值；υ1ηι為逆變器輸出電壓基波幅值，udc為逆變器直流母線電壓。
[0015] 有益效果：本發(fā)明的逆變器與傳統(tǒng)的全橋逆變器相比，其只增加了兩個(gè)二極管和 一個(gè)升壓電感，且僅采用單極倍頻SPWM調(diào)制，就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電壓栗升和逆變功能。因 此，該逆變器具有效率高、集成度高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡潔、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明集成式逆變器的主電路拓?fù)鋱D；
[0017] 圖2為本發(fā)明逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中的工作模態(tài)1等效電路圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中的工作模態(tài)2等效電路圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中的工作模態(tài)3等效電路圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中的工作模態(tài)4等效電路圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中四個(gè)模態(tài)的主要波形圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明逆變器在在第k個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的調(diào)制信號示意圖；
[0023] 圖8為本發(fā)明逆變器在第k個(gè)開關(guān)周期內(nèi)升壓電感電流示意圖；
[0024] 圖9為本發(fā)明逆變器調(diào)制比與直流增益關(guān)系曲線示意圖；
[0025] 圖10為本發(fā)明逆變器的直流升壓電感工作在CCM模式的仿真波形圖；
[0026] 圖11為本發(fā)明逆變器的直流升壓電感工作在DCM模式的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示的一種高增益Buck-Boost集成式逆變器，包括電容Cin，開關(guān)管SfS 4， 升壓電感Lin，二極管DJP D 2，所述開關(guān)管SJP S 2串聯(lián)形成第一橋臂電路，所述開關(guān)管S 3和 34串聯(lián)形成第二橋臂電路，所述第一橋臂電路和第二橋臂電路并聯(lián)形成全橋電路；所述開 關(guān)管SJP S 2的接合點(diǎn)a連接有二極管D i的陽極，所述開關(guān)管S 3和S 4的接合點(diǎn)b連接有二 極管D2的陽極，所述二極管D i和二極管D 2的陰極共同連接有升壓電感L ιη的一端，所述升 壓電感Lin的另一端連接有電容C ιη的正極，所述電容C ιη的負(fù)極分別連接有開關(guān)管S 2和S 4， 所述接合點(diǎn)a和接合點(diǎn)b之間還連接有濾波電路。所述濾波電路采用LC濾波電路或LCL 濾波電路，所述濾波電路還連接有負(fù)載。
[0028] 該逆變器由Buck-Boost變換器演變而來，通過復(fù)用全橋逆變器的功率開關(guān)管，將 原本由兩級功率變換實(shí)現(xiàn)的功能由一級功率變換實(shí)現(xiàn)；與傳統(tǒng)的全橋逆變器相比，其只增 加了兩個(gè)二極管（Dp D2)和一個(gè)升壓電感（Lin)，且僅采用單極倍頻SPWM調(diào)制，就能同時(shí)實(shí) 現(xiàn)直流電壓栗升和逆變功能。因此，該逆變器具有效率高、集成度高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡潔、 成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0029] 本發(fā)明提出的高增益Buck-Boost集成式逆變器采用傳統(tǒng)的單極倍頻SPWM調(diào)制， 其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0030] 首先，將正弦調(diào)制信號\和三角載波信號V。分別送入比較器A的同相輸入端和反 相輸入端，從而得到輸出信號vgl作為開關(guān)管S i的驅(qū)動(dòng)信號，而比較器A的輸出信號取反，得 到信號vg2作為開關(guān)管S 2的驅(qū)動(dòng)信號。由v JP v。得到的信號
送入比較器B的同相 輸入端，而比較器B的反相輸入端接地，從而得到輸出信號vg4作為開關(guān)管S 4的驅(qū)動(dòng)信號， 該輸出信號的反相信號vg3作為開關(guān)管S 3的驅(qū)動(dòng)信號。
[0031] 其在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)序如表1所示。結(jié)合該開關(guān)時(shí)序，可分析得出該逆 變器的工作原理和特性。
[0032] 為了簡化分析，首先假設(shè)逆變器工作已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并符合以下條件：①開關(guān)管 Si_S4和二極管D 均為理想元件；②電感、電容均為理想儲能元件；③輸入電壓U ιη恒定， 可等效為恒壓源；④交流電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)基本恒定，逆變器的輸出看成聯(lián)接一個(gè)電 流為Ig的恒流源；⑤電容C ιη足夠大，其端電壓近似為恒定，故可等效為恒壓源U ⑥η 2點(diǎn) 的電位為零。
[0033] 對于逆變器，其正弦調(diào)制波的正、負(fù)半波內(nèi)工作過程是相似的，這里以正半波內(nèi)的 一個(gè)開關(guān)周期為例進(jìn)行分析?；谏鲜黾僭O(shè)，該逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中的工作可以分成 4個(gè)模態(tài)，每個(gè)工作模態(tài)對應(yīng)的等效電路如圖2-圖5所示，其主要波形如圖6所示，下面分 別予以分析。
[0034] 表1開關(guān)導(dǎo)通