CN101355322B - 半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法 - Google Patents

Abstract

半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法，属逆变器及其控制方法。由电源电路、降压电路、输出滤波电路依次连接组成。其中电源电路包括第一、第二直流电源，降压电路包括第一、第二降压电路，第一降压电路包括第一功率开关管、第一寄生体二极管、第一阻断二极管和第一续流二极管，第二降压电路包括第二功率开关管、第二寄生体二极管、第二阻断二极管和第二续流二极管，输出滤波电路包括输出滤波电感和输出滤波电容。所述控制方法是通过电压电流双环调节器得到功率开关管的高低电平驱动信号，实现半周期工作。本发明逆变器的体积小、重量轻、无偏置电流、波形失真小、效率高。

Description

半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电能转换装置中的逆变器的控制方法，尤其涉及一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法。

背景技术

随着高频功率器件的发展，逆变器的开关频率大幅提高，航空电源、UPS系统、以及高性能电机驱动等交流电源的发展，都对逆变器的性能提出了更高的要求，在实现逆变器高频化及高效率的同时如何进一步提高功率功率密度，也成了当前研究的关键问题。自从双降压式半桥逆变器及其控制方法提出后，以其新颖的电路结构，具有无直通、无死区时间、开关损耗低等优点而得到了大量的研究和应用。

如2007年7月25日公布的公开号为CN101005245A的发明半周控制单极性双降压式逆变器，揭露一种双电感双降压式半桥逆变器。但由于要使用两只滤波电感，体积庞大。在实际应用中特别是在高压低频场合的滤波器，其体积和重量较大，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在双降压式逆变电路的基础上提出一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法。

一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器，由电源电路、降压电路、输出滤波电路依次连接组成，其中电源电路包括两个相同的直流电源即第一直流电源、第二直流电源，第一直流电源的负极和第二直流电源的正极连接后接地；降压电路包括第一降压电路和第二降压电路，其中第一降压电路包括第一功率开关管、第一寄生体二极管、第一阻断二极管和第一续流二极管，第一功率开关管的漏极与第一寄生体二极管的阴极连接后构成第一降压电路的输入端，第一功率开关管的源极与第一寄生体二极管的阳极和第一阻断二极管阳极连接，第一阻断二极管阴极与第一续流二极管阴极相连接后构成第一降压电路的输出端，第二降压电路包括第二功率开关管、第二寄生体二极管、第二阻断二极管和第二续流二极管，第二功率开关管的源极与第二寄生体二极管的阳极相连后构成第二降压电路的输入端，第二功率开关管的漏极与第二寄生体二极管的阴极和第二阻断二极管的阴极连接，第二阻断二极管的阳极与第二续流二极管的阳极相连后构成第二降压电路的输出端，第一降压电路的输入端与第二续流二极管的阴极和第一直流电源的正极连接，第一降压电路的输出端与第二降压电路的输出端连接，第二降压电路的输入端与第一续流二极管的阳极和第二直流电源的负极连接；输出滤波电路包括输出滤波电感和输出滤波电容，其中滤波电感正端接第二降压电路的输出端，输出滤波电感的负端与输出滤波电容的正端连接，输出滤波电容的负端接地。

半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法，其特征在于：将采样的输出电压与给定的基准正弦波电压经电压调节器后得到电压调节器输出电压；将采样的输出滤波电感电流与电压调节器输出电压经过电流调节器得到PWM波形信号；将检测到的输出滤波电感电流经过过零比较器得到高电平信号和低电平信号，将电流调节器输出的PWM波形信号和过零比较器输出的高低电平信号经过第一与门、第二与门产生第一功率开关管和第二功率开关管的驱动信号，使电路工作在四个工作模态中，实现半周期工作：当输出滤波电感电流大于0时，过零比较器输出为高电平信号，逆变器工作在正半周期，实现工作模态I和工作模态II：将所述高电平信号经反相器得到低电平信号，低电平信号输出到第二与门给第二功率开关管关断信号，同时将所述高电平信号与PWM波形信号经过第一与门得到第一功率开关管的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第一功率开关管开通，第一阻断二极管导通，逆变器工作在工作模态I，输出正直流电源电压；当该驱动波形信号为低电平时，第一功率开关管关断，第一续流二极管导通，逆变器工作在工作模态II，输出负直流电源电压，即滤波电感电流大于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器正半周期工作时的工作模态I和工作模态II交替工作；当输出滤波电感电流小于0时，过零比较器输出为低电平信号，逆变器工作在负半周期，实现工作模态III和工作模态IV：将所述低电平信号经过第一与门后给第一功率开关管关断信号，同时将所述低电平信号经过反相器得到高电平信号，高电平信号与PWM波形信号经过第二与门得到第二功率开关管的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第二功率开关管开通，第二阻断二极管导通，逆变器工作在工作模态III，输出负直流电源电压；当该驱动波形信号为低电平时，第二功率开关管关断，第二续流二极管导通，逆变器工作在模态IV，输出正直流电源电压，即滤波电感电流小于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器负半周期工作时的工作模态III和工作模态IV交替工作。

本发明为一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器，电感体积与原双降压式逆变器相比大大减小，从而减小了整个电路的体积和重量，滤波电感为双向磁化，提高了磁芯的利用率。电路工作于半周期模式，控制实现简单，无偏置电流产生，开关管和二极管可分别得到优化。保留了原双降压式逆变器，从而波形失真小，效率高。

附图说明

图1：本发明半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器主电路拓扑原理图；

图2：本发明半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器输出滤波电感电流大于零(i_L＞0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；

图3：本发明半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器输出滤波电感电流小于零(i_L＜0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；

图4：本发明半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制框图；

图5：本发明电流半周期工作控制的理想驱动波形图；

图6：本发明半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的主要波形仿真示意图。

图中的主要符号名称：U_d1、U_d2---分别为第一直流电源和第二直流电源，S₁、S₂---分别为第一功率开关管和第二功率开关管，Ugs1---第一开功率关管的驱动波形，Ugs2---第二功率开关管驱动波形，D₁、D₂---分别为第一续流二极管和第二续流二极管，D₃、D₄---分别为第一阻断二极管和第二阻断二极管，L---输出滤波电感，C_f---输出滤波电容，D_S1、D_S2---分别为第一寄生体二极管和第二寄生体二极管，i_L---输出滤波电感电流，U_e---电压环输出电压，vo---输出电压，U_r---基准正弦波电压，R---负载，io---负载电流。

具体实施方式

如图1所示，一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器，其特征在于：由电源电路1、降压电路2、输出滤波电路3依次连接组成，其中电源电路1包括两个相同的直流电源即第一直流电源U_d1、第二直流电源U_d2，第一直流电源U_d1的负极和第二直流电源U_d2的正极连接后接地；降压电路2包括第一降压电路21和第二降压电路22，其中第一降压电路21包括第一功率开关管S₁、第一寄生体二极管D_S1、第一阻断二极管D₃和第一续流二极管D₁，第一功率开关管S₁的漏极与第一寄生体二极管D_S1的阴极连接后构成第一降压电路21的输入端，第一功率开关管S₁的源极与第一寄生体二极管D_S1的阳极和第一阻断二极管D₃阳极连接，第一阻断二极管D₃阴极与第一续流二极管D₁阴极相连接后构成第一降压电路21的输出端，第二降压电路22包括第二功率开关管S₂、第二寄生体二极管D_S2、第二阻断二极管D₄和第二续流二极管D₂，第二功率开关管S₂的源极与第二寄生体二极管D_S2的阳极相连后构成第二降压电路22的输入端，第二功率开关管S₂的漏极与第二寄生体二极管D_S2的阴极和第二阻断二极管D₄的阴极连接，第二阻断二极管D₄的阳极与第二续流二极管D₂的阳极相连后构成第二降压电路22的输出端，第一降压电路21的输入端与第二续流二极管D₂的阴极和第一直流电源U_d1的正极连接，第一降压电路21的输出端与第二降压电路22的输出端连接，第二降压电路22的输入端与第一续流二极管D₁的阳极和第二直流电源U_d2的负极连接；输出滤波电路(3)包括输出滤波电感L和输出滤波电容C_f，其中滤波电感L正端接第二降压电路22的输入端，输出滤波电容C_f的正端与输出滤波电感L的负端连接，输出滤波电容C_f的负端接地。负载R和输出滤波电容C_f并联。

在输出滤波电感电流i_L大于零的正半周期，第一功率开关管S₁、第一阻断二极管D₃和第一续流二极管D₁交替工作，第二功率开关管S₂、第二阻断二极管D₄和第二续流二极管D₂不工作，此时电路包括两个工作模态：

(1)工作模态I：

如图2(a)所示，第一功率开关管S₁和第一阻断二极管D₃导通，第一续流二极管D₁及第二功率开关管S₂均关断，输出滤波电感电流i_L线性上升，逆变器输出电平(滤波前)为+U_d，U_d为第一直流电源U_d1或第二直流电源U_d2的电源电压值。此时，第一、第二续流二极管D₁、D₂的电压应力均为负值，从而保证了可靠关断。这个模态一直持续到第一功率开关管S₁关断，然后进入到工作模态II。

(2)工作模态II：

如图2(b)所示，第一续流二极管D₁进入续流状态，其它所有功率开关管及二极管均关断，输出滤波电感电流i_L线性下降，逆变器输出电平(滤波前)为-U_d。此时，第二续流二极管D₂的电压应力为-2U_d，从而可靠地关断，同样，第二阻断二极管D₄保证了第二功率开关管S₂体二极管不工作。这个开关模态一直持续到第一功率开关管S₁开通，然后又进入到工作模态I。

在输出滤波电感电流小于零的负半周期，第二功率开关管S₂、第二阻断二极管D₄和第二续流二极管D₂交替工作，第一功率开关管S₁、第一阻断二极管D₃和第一续流二极管D₁不工作，此时电路包括两个工作模态：

(3)工作模态III：

如图3(a)所示，第二功率开关管S₂和第二阻断二极管D₄导通，第二续流二极管D₂及第一功率开关管S₁均关断，输出滤波电感电流i_L负向线性下降，逆变器输出电平(滤波前)为-U_d。此时第二续流二极管D₂的电压应力为-2U_d，同时电流流向为负，故两个续流二极管均能可靠关断。这个模态一直持续到第二功率开关管S₂开通，然后又进入到工作模态IV。

(4)工作模态IV：

如图3(b)所示，第二续流二极管D₂进入续流状态，其它功率开关管和二极管均关断，输出滤波电感电流i_L负向线性上升，变换器输出电平(滤波前)为+U_d。此时，第一续流二极管的电压应力为-2U_d，从而可靠的关断。同样，第一阻断二极管D₃保证了第一功率开关管S₁不工作。这个开关模态一直持续到第二功率开关管S₂开通，然后又进入到工作模态III。

综上所述，在输出滤波电感电流为i_L＞0的正半周期里，交替运行工作模态I和工作模态II，实现逆变器输出电平±U_d(滤波前)。在输出滤波电感电流为i_L＜0的负半周期里，交替运行工作模态III和工作模态IV，实现逆变器输出电平±U_d(滤波前)。

以上的四个工作模态可用表1来表示，其中OFF表示器件关断，ON表示器件导通。

表1 半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器功率开关管组合状态

                    与输出电压关系

工作模态

iL

S1、D3

D1

S2、D4

D2

输出电压(滤波前)

对应附图

I

＞0

ON

OFF

OFF

OFF

+Ud

2(a)

II

＞0

OFF

ON

OFF

OFF

-Ud

2(b)

III

＜0

OFF

OFF

ON

OFF

-Ud

3(a)

IV

＜0

OFF

OFF

OFF

ON

+Ud

3(b)

为实现以上工作原理，该半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器采用的控制方案如图4所示。将采样的输出电压vo与给定的基准正弦波电压U_r经电压调节器后得到电压调节器输出电压U_e；将采样的输出滤波电感电流i_L与电压调节器输出电压U_e经过电流调节器得到PWM波形信号；将检测到的输出滤波电感电流i_L经过过零比较器得到高电平信号和低电平信号，将电流调节器输出的PWM波形信号和过零比较器输出的高低电平信号经过第一与门、第二与门产生第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的驱动信号，使电路工作在四个工作模态中，实现半周期工作：当输出滤波电感电流i_L大于0时，过零比较器输出为高电平信号，逆变器工作在正半周期，实现工作模态I和工作模态II：将所述高电平信号经反相器得到低电平信号，低电平信号输出到第二与门给第二功率开关管S₂关断信号，同时将所述高电平信号与PWM波形信号经过第一与门得到第一功率开关管S₁的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第一功率开关管S₁开通，第一阻断二极管D₃导通，逆变器工作在工作模态I，输出正直流电源电压+U_d；当该驱动波形信号为低电平时，第一功率开关管S₁关断，第一续流二极管D₁导通，逆变器工作在工作模态II，输出负直流电源电压-U_d，即滤波电感电流i_L大于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器正半周期工作时的工作模态I和工作模态II交替工作；当输出滤波电感电流i_L小于0时，过零比较器输出为低电平信号，逆变器工作在负半周期，实现工作模态III和工作模态IV：将所述低电平信号经过第一与门后给第一功率开关管S₁关断信号，同时将所述低电平信号经过反相器得到高电平信号，高电平信号与PWM波形信号经过第二与门得到第二功率开关管S₂的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第二功率开关管S₂开通，第二阻断二极管D₄导通，逆变器工作在工作模态III，输出负直流电源电压-U_d；当该驱动波形信号为低电平时，第二功率开关管S₂关断，第二续流二极管D₂导通，逆变器工作在模态IV，输出正直流电源电压+U_d，即滤波电感电流小于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器负半周期工作时的工作模态III和工作模态IV交替工作。

由于采用的是上述半周期工作的控制方案，在滤波电感电流i_L由正半周期过零变负半周期时，电路的工作模态由工作模态I、工作模态II向工作模态III、工作模态IV转换，而在滤波电感电流i_L由负半周期过零变正半周期时，电路的工作模态由工作模态III、工作模态IV向工作模态I、工作模态II转换。

Claims (1)

1.一种半周期工作的单电感双降压式半桥逆变器的控制方法，其特征在于：将采样的输出电压(vo)与给定的基准正弦波电压(U_r)经电压调节器后得到电压调节器输出电压(U_e)；将采样的输出滤波电感电流(i_L)与电压调节器输出电压(U_e)经过电流调节器得到PWM波形信号；将检测到的输出滤波电感电流(i_L)经过过零比较器得到高电平信号和低电平信号，将电流调节器输出的PWM波形信号和过零比较器输出的高低电平信号经过第一与门、第二与门产生第一功率开关管(S₁)和第二功率开关管(S₂)的驱动信号，使电路工作在四个工作模态中，实现半周期工作：当输出滤波电感电流(i_L)大于0时，过零比较器输出为高电平信号，逆变器工作在正半周期，实现工作模态I和工作模态II：将所述高电平信号经反相器得到低电平信号，低电平信号输出到第二与门给第二功率开关管(S₂)关断信号，同时将所述高电平信号与PWM波形信号经过第一与门得到第一功率开关管(S₁)的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第一功率开关管(S₁)开通，第一阻断二极管(D₃)导通，逆变器工作在工作模态I，输出正直流电源电压；当该驱动波形信号为低电平时，第一功率开关管(S₁)关断，第一续流二极管(D₁)导通，逆变器工作在工作模态II，输出负直流电源电压，即滤波电感电流(i_L)大于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器正半周期工作时的工作模态I和工作模态II交替工作；当输出滤波电感电流(i_L)小于0时，过零比较器输出为低电平信号，逆变器工作在负半周期，实现工作模态III和工作模态IV：将所述低电平信号经过第一与门后给第一功率开关管(S₁)关断信号，同时将所述低电平信号经过反相器得到高电平信号，高电平信号与PWM波形信号经过第二与门得到第二功率开关管(S₂)的高低电平驱动波形信号，当该驱动波形信号为高电平时，第二功率开关管(S₂)开通，第二阻断二极管(D₄)导通，逆变器工作在工作模态III，输出负直流电源电压；当该驱动波形信号为低电平时，第二功率开关管(S₂)关断，第二续流二极管(D₂)导通，逆变器工作在模态IV，输出正直流电源电压，即滤波电感电流小于零时，在高低电平驱动波形信号的作用下实现了逆变器负半周期工作时的工作模态III和工作模态IV交替工作。

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