一种双Buck全桥逆变器的研究

一种双Ｂｕｃｋ全桥逆变器的研究　电工电．＿【（２０１３　Ｎｏ．４）　一种双Ｂｕｃｋ全桥逆变器的研究　郭前岗，赵磊，周西峰　（南京邮电大学自动化学院，江苏南京２１　００４６）　摘要：结合传统的全桥逆变和双Ｂｕｃｋ半桥逆变器，研究了一种双Ｂｕｃｋ全桥逆变器，分析了其工作　原理及控制策略。该逆变器采用滞环电流控制方式，使其处于电流半周期工作，不仅具有双Ｂｕｃｋ逆变器　无桥臂直通、无开关器件体二极管反向恢复、可靠性高等特点，也克服了其输入直流电压利用率低的缺点，　仿真与实验结果验证了其正确性与可靠性。　关键词：双Ｂｕｃｋ全桥；逆变器；滞环电流控制；可靠性　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—３１７５（２０１３）０４一Ｏ０１７—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　Ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｂｕｃｋ　Ｆｕｌ１．Ｂｒｉｄｇｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＧＵＯ　Ｑｉａｎ—ｇａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｌｅｉ，ＺＨＯＵ　Ｘｉ・ｆｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＰｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　Ｂｕｃｋ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｏｕ—　ｂｌｅ　Ｂｕｃｋ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｉｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ，ｍａｋ—　ｉｎｇ　ｉｔ　ｉｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｈａｌｆ－ｃｙｃｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｉｎ　ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　Ｂｕｃｋ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｌ＇ｎｌ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ，ｄｉｏｄｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｅｔｃ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｉｔｓ　ｓｈｏｒｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｖｅｒｉｉｅｄ　ｉｆｔｓ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ　Ｂｕｃｋ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　０引言　近年来，世界经济飞速发展，石油、煤、天然　气等传统资源的紧缺以及大规模使用造成的环境污　染已经成为限制生产发展的重要因素。太阳能作为　一恢复的问题ｕ　，但其输入直流电压的利用率低　Ｊ，　只有全桥逆变器的一半。例如：当输出电压为交流　２２０　Ｖ时，输入直流电压要达到７００　Ｖ，因此对光伏　逆变系统的前级ＤＣ－ＤＣ升压装置提出了更高的要求，　同时开关管的电压应力也会增大，提高了开关管的　选型难度。　种可再生的能源，以其具有安全性、清洁性、长　久性、可再生性等众多优点，在新能源的开发和使　用中占据了重要的位置，因此光伏逆变器的发展也　越来越广泛地受到关注。　在光伏逆变器系统中大部分采用两级结构：即　本文结合传统的全桥逆变和双Ｂｕｃｋ半桥逆变器　分析和研究了一种双Ｂｕ　Ｃｋ全桥逆变器，该逆变器　保留了双Ｂｕ　Ｃｋ半桥逆变器的优点，同时具备与全　桥逆变器相同的输入电压利用率　。本文逆变器采　用滞环电流控制方式，动态响应快，电流跟踪精　度高　，电路简单易于实现。　前级ＤＣ—ＤＣ和后级ＤＣ—ＡＣ。传统的全桥逆变器存在　桥臂直通的缺点，为了保证逆变器的可靠工作，必　须在同一桥臂的功率管的驱动上加入一定量的死区　时间，因此逆变器的输出波形的质量也受到影响。　１双Ｂｕｃｋ全桥逆变器原理　图１为双ＢｕＣｋ全桥逆变器的拓扑结构。　为外　接直流电源，ｓ　～ｓ　为四个开关管，Ｄ　～Ｄ　为四个　续流二极管，电容　与电感Ｌ　、￡。、￡。、　构成输出　双ＢｕＣｋ半桥逆变器没有传统桥式逆变器的桥臂直　通的问题，保障了可靠性和安全性。续流电流通过　独立的续流二极管，避免了开关器件体二极管反向　作者简介：郭前岗（１９６０一），男，教授，博士，研究方向为新能源发电、电力电子与电力传动。　一１７—　电工电．＿【（２０１３　Ｎｏ．４）　滤波电路，　为输出负载。记ｕ。为输出电压；ｉｔ为输　出电流；１‘Ｌ１～　分别为电感　～　的电流。　图１　Ｘ＆Ｂｕｃｋ全桥逆变器拓扑　双Ｂｕｃｋ全桥逆变器采用半周期工作模式如图２　所示，即输出电流正半周，开关管Ｓ　、Ｓ　，续流二　极管Ｄ　、Ｄ　，滤波电感　、￡　工作；在输出电流负半周，　开关管Ｓ　、Ｓ。，续流二极管Ｄ　、Ｄ。，滤波电感　：、　。　工作，任意时刻只有两个电感上存在电流，因此相　对于全周期工作模式，半周期工作模式具有更小的　开关损耗，从而进一步提高了逆变器的效率。　ｔｌ。“０）　（屯　）　０　●　Ｏ　图２电流半周期工作模式　由于双Ｂｕｃｋ全桥逆变器采用半周期工作模式，　因此可以根据电感电流　，的正负将其工作模式划　分为一、三两个象限，每个象限各具有两种工作模　态，其工作过程简述如下。　１）第一象限。电感电流ｉｔ：ｉＬ，＞０，输出电压ｕ。＞　０。此时逆变器处于电流正半周期工作，具有如下　两种工作模态：（１）工作模态１。Ｓ　、ｓ　开通，此时　功率管ｓ　、Ｓ　的漏源电压　＝　＝０；电感电流即　ｉＬ：ｉＬ￣＝　上升；Ｓ　、Ｓ３、Ｄ　、Ｄ３支路无电流，电感电　流ｉ，。＝　ｈ＝０。（２）工作模态２。Ｓ　、Ｓ　截止，此时功率　管Ｓ　、Ｓ４的漏源电压ｕｄＳ１＝ｕ　ｄｓ４＝＋　；ｉＬ通过Ｄｌ、Ｄ４支路　续流，电流下降；电感电流五　＝五。＝０保持不变。　２）第三象限。　＝　ｈ＜０，输出电压ｕ。＜０。此时　逆变器处于电流负半周期工作，具有如下两种工　一１８一　一种双ＢｕＣｋ全桥逆变器的研究　作模态：（１）工作模态３。Ｓ　、ｓ。开通，此时功率管　Ｓ２、Ｓ３的漏源电压ｕ　ｄＳ２＝ｕ　ｄｓ３＝０；电感电流即　Ｌ：ｉＬ２：ｉ￡　上升；Ｓ　、Ｓ　、Ｄ　、Ｄ　支路无电流，电感电流五　：ｉＬ　＝　０。（２）工作模态４。Ｓ　、Ｓ。截止，此时功率管Ｓ　、　Ｓ３的漏源电压ＨｄＳ２：ＨｄＳ３＝＋　；ｔ从Ｄ　、Ｄ３支路续流，　电流下降；电感电流　＝　＝０保持不变。　由上述工作模态分析可得，双Ｂｕｃｋ全桥逆变　器是双极性工作模式：＋１状态和一１状态。正半周　期的开关管和负半周期的开关管之间串联了滤波电　感，因此克服了传统全桥电路桥臂直通的问题，提　高了逆变器的安全性和可靠性。此外，续流电流流　经独立的续流二极管，使得开关管不存在体二极管　反向恢复，续流二极管和开关管的选型可以分别最　优化选取，降低了功率损耗，从而提高了逆变器的　变换效率。　２控制策略　逆变器常用的控制方法可分为电压型和电流　型。由于电压控制响应慢，逆变器输出电压值不易　精确控制以及可能出现环流等问题，且电压源的并　联运行不易获得优异性能所以较少使用。滞环电流　控制属于电流型的一种控制方式，具有电流跟踪精　度高、动态响应快、稳定性高等特点。　逆变器通常采用双环控制，电流内环具有较高　的稳定性，而电压外环可以做到高增益，输出电压　精度高，动态性能好　。因此，双Ｂｕｃｋ全桥逆变器　中，采用电压外环、电流内环的控制模式，其控制　原理如图３所示。图中ｕ　为基准电压，ｕ。　为输出电　压反馈信号，ｉ　、　为电感电流　、一ｉＬ。的采样电　流信号，ｕ　～ｕ　分别为Ｓ　～Ｓ　的驱动信号。　图３控制原理　基准电压ｕ　与输出电压反馈信号“。　经电压误差　调节器后得到的误差信号ｉ　，将其与电流采样信号　一种双Ｂｕｃｋ全桥逆变器的研究　、　ｃ　经滞环比较器比较后，再经过驱动电路可　得到驱动信号ｕ　～“　，其中“　、ｔ／４对应于电流正半　周，ｕ　、［１３对应于负半周期。　３仿真与实验验证　对以上分析进行了闭环系统仿真。仿真参数　为：直流输入电压　：３５０　Ｖ；输出滤波电感￡　。＝　３　４＝６００　ｕＨ；输出交流电压“。＝２２０ｖ／５ｏＨｚ，输出　滤波电容　＝５　ｕＦ；额定功率为５００　Ｗ。　仿真结果如图４所示。在　＝　＞０正半周期，　开关管Ｓ　Ｌ、Ｓ４工作，输出电压ｕ。＞０；当　￡＝　Ｌ。＜　０的负半周期，开关管Ｓ。、Ｓ。工作，输出电压ｕ。＜０，　与上文的分析结果一致。　４　Ｌ—一一．　０　ｔ　“２（　）　１●—■＿■■＿－　Ｏ　ｒ　７　ｏ　７　△　．　。ｒ＿——　——　７—　图４仿真波形　利用仿真参数搭建了硬件平台，实验波形如　图５所示。电感电流ｊ　、　ｈ分别对应于；￣Ｂｕｃｋ全桥　逆变器的正负半周期，并且输出电压、输出电流　与仿真结果吻合，这就进一步验证了其可靠性与　正确性　。　ａ）双Ｂｕｃｋ全桥逆变器正半周期波形　电工电．＿【（２０１３　Ｎｏ．４）　ｂ）双Ｂｕｃｋ全桥逆变器负半周期波形　图５￣］．Ｂｕｃｋ全桥逆变器波形　４结语　本文对双Ｂｕｃｋ全桥逆变器的拓扑结构和工作模　式进行了分析，并利用仿真和实验对其进行了进一　步的验证。　该逆变器保留了双降压式半桥电路的优点：不　存在桥臂直通的问题，提高了安全性和可靠性；独　立的续流二极管提高了变换效率；同时也克服了双　降压式半桥电路输入直流电压利用率低的问题。利　用滞环电流控制电流跟踪精度高、动态响应快、稳　定性高等特点，完成逆变器的控制，该方案简单易　行、可靠性高。　参考文献　［１］洪峰，单任仲，王慧贞，严仰光．三电平双降压式全　桥逆变器［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（１２）：　５５—５９．　［２］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，　２２（５）：１０４—１１０．　［３］王宝诚，郭小强，梅强，等．无变压器非隔离型光　伏并网逆变器直流注入控制技术［Ｊ］．中国电机工程　学报，２００９，２９（３６）：２３—２８．　［４］ＹＵ　Ｗｅｎ－ｓｏｎｇ，ＬＡＩ　Ｊｉｈ—ｓｈｅｎｇ，ＱＩＡＮ　Ｈａｏ，ｅｔ　ａ１．Ｈｉｇｈ—　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｈ６一ｔｙｐｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｈｏｔＯＶＯ１ｔａｉ　Ｃ　ｎｏｒ—ｉ　Ｓ０ｌａｔｅｄ　ＡＣ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／ＩＥＦＥ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，２０１０．　［５］Ｄａｓ　Ｐｒｉｔａｍ，Ｍｏｓｃｈｏｐｏｕｌｏｓ　Ｇｅｒｒｙ．Ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ—ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ＰＷＭ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｌＪｊ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　２００７，５４（３）：１３１９－１３２８．　修稿日期：２０１３—０１—１０　—１９—