CN103117670A

CN103117670A - 一种基于buck-boost电路的新型dc/ac逆变器

Info

Publication number: CN103117670A
Application number: CN2013100082609A
Authority: CN
Inventors: 陈荣; 张加胜
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-05-22

Abstract

一种基于BUCK-BOOST电路的新型DC/AC逆变器主要由直流电源输入1、直流电源输入2、系统给定输入、反馈信号、控制器、PWM信号发生器、输出信号检测单元、负载和主电路等组成。本发明基于BUCK-BOOST电路，可实现降压和升压输出功能，既扩大了输入电压的范围又可以利用成熟的软开关技术，有效降低器件开关损耗。本发明采用两组直流电源同时供电，分别产生输出正弦信号的正负半波，便于模块化。

Description

一种基于BUCK-BOOST电路的新型DC/AC逆变器

技术领域

本发明提出一种基于BUCK-BOOST电路的新型DC/AC逆变器，可广泛应用于风力发电、太阳能发电和其它分布式发电系统，也可适用于电动汽车和交流电动机调速装置等领域。

背景技术

DC/AC换流器又称为逆变器，其作用是利用半导体开关器的开通和关断，将直流电源转换为幅值和频率均可控制的正弦交流输出电源，用来驱动交流电机或作为交流不间断电源，或者直接与电网连接，实现系统并网运行。随着全球能源供应的日益紧张，人们对采用可再生能源的分布式发电技术日益关注。风能发电、太阳能发电和燃料电池等分布式发电系统的高效运行都有赖于电力电子技术。但是，分布式发电系统自身的瞬时输入功率与输入电压变化范围较大，因而对电能变换的主要环节—电压源型逆变器的要求很高，如，要求系统高效运行功率范围宽，具有宽范围输入电压适应能力等。传统的DC/AC电压型逆变器有着自身的缺点：一方面输出电压的幅值最大只能达到直流输入电压值，逆变器工作效率随着输出功率的减少而明显下降；另一方面，常用DC-AC转换器多采用桥式主电路，输入为单输入，特别是在软开关技术应用技术方面存在一定欠缺。为了解决上述问题，需要在直流电源与逆变器之间增加Boost升压电路以适应直流输入电压的变化，增加一级硬开关DC/DC电能变换，整机效率和可靠性必然受到影响；为了延长电力电子器件的寿命和工作的可靠性，需要考虑器件的软开通和关断问题。

发明内容

本发明提出了一种基于BUCK-BOOST电路的DC-AC变换电路，系统采用两输入一输出形式，既可以实现输出电压高低的自动调节，以满足宽输入电压的要求，又可以充分利用成熟的升降压电路软开断技术，最大限度的降低器件通断损耗，有效延长开关器件的使用寿命。

附图说明

图1是变换器各部分构成图；

图2是DC-AC变换器主电路拓扑；

图3 BUCK-BOOST电路工作模式1；

图4 BUCK-BOOST电路工作模式2；

图5是系统电压滞环比较闭环控制框图；

图6是系统开环PD控制框图；

图7是系统闭环PI控制框图；

具体实施方法

图1为DC/AC逆变器各部分构成图。逆变器主要由直流电源输入1、直流电源输入2、系统给定输入3、反馈信号4、控制器5、PWM信号发生器6、输出信号检测单元7、负载8和主电路9等组成。其中直流电源输入1和直流电源输入2做为逆变器的主电路供电电源，给主电路供电；给定输入信号3是系统输出信号的给定信号，与反馈信号4做差后送入控制器5，生成PWM信号脉宽控制信号，再经过PWM信号发生器6产生PWM信号并驱动主电路器件的开通与关断；输出信号检测单元7用于产生反馈信号。系统给定输入3、反馈信号4、控制器5、PWM信号发生器6在具体实现时可以是由电位器、模拟PID控制器和三角波比较信号等模拟组成，也可以由按键、CPU等数字电路组成。

图2所示为主电路拓扑图。电路由正组和反组两个BUCK-BOOST电路组成。正组负责提供反向电压，反组负责产生正向电压。

S₁导通时，续流二极管D₁的阴极电压为输入电压E₁，而且稳态时电容C₁已充电到某一负电压，致使二极管反偏截止，由于恒定电压E₁施加在L₁上，所以其电流以di/di=E₁/L₁的斜率线性上升。导通一段时间后，电感L1的电流达到最大值，其等效电路如图3所示。当S₁关断时，电感储能以自感电动势形式释放，续流二极管D₁导通，电流线性下降并给电容充电，其等效电路如图4所示。电感电流i_L通过滤波电容C₁、负载电感L和负载电阻R，负载电压平均值与输入电压E₁极性相反。由于采用BUCK-BOOST电路，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压。

为了实现DC-AC转换器功能，需要S₁/S₂与S_3/S₄搭配使用。当需要输出电压的反向部分时，开关器件S₂常通，开关器件S₁起到调节输出电压的功能。同样，当需要输出电压的正向部分时，开关器件S₄常通，开关器件S₃起到调节输出电压的功能。常规的BUCK-BOOST电路，主要用来进行DC-DC变换，要求输出电压波动小，抗干扰能力强，而用做DC-AC变换器时，要求输出电压连续可调，追求的是快速跟随性能，具体实现可通过实时调节BUCK-BOOST电路的占空比实现。

为了实现输出信号对给定正弦信号的高质量跟踪，常用的控制脉冲生成方法有滞环跟踪控制法和高频三角波调制方法。滞环跟踪控制法是将输出信号与给定正弦参考信号，进行实时比较，可以实现输出信号对输入信号的实时跟踪，属于输入输出闭环控制的范畴，缺点是系统的工作周期不固定，对系统输出信号的影响比较大，其对应的控制框图如图5所示。为了保证输出电压的跟踪效果，在实际应用时，采用电压滞环比较确定工作时间，在工作时间中通过固定频率和占空比的高频信号。高频调制方法是三角调制波与正弦参考波进行实时比较，产生需要的控制脉冲，即SPWM控制，其优点是系统的开关器件工作频率固定，便于滤除谐波信号。利用BUCK-BOOST电路实现正弦波时是由正反两组电路输出正弦波的正负半波，在对正弦波形质量要求不是很高的时候采用开环控制，直接使用比例微分控制，既保证了波形输出正弦的质量又可以很好的保证响应的快速性，但输出电压的幅值受到输入电压的控制，相应控制框图如图6所示。如果对输出电压波形的要求很高，可采用输出电压闭环控制，直接采用PI控制，有效保证输出电压恒定不受输入电压变化的影响，其控制框图如图7所示。当基准正弦波Vref 从零开始增加，输出电压跟踪基准电压变化，由PI 调节器得到误差信号Ve，Ve与三角波比较产生PWM 信号，PWM 信号再与给定信号过零信号配合控制，控制开关器件S₁、S₂、S₃、S₄的通断，从而输出相应的电压信号。

本说明的特征可以归纳为：双直流电源输入，单交流输出，输出电压可升高也可以降低。

Claims

1.新型DC/AC逆变器主要由直流电源输入1、直流电源输入2、系统给定输入3、反馈信号4、控制器5、PWM信号发生器6、输出信号检测单元7、负载8和主电路9等组成。其中直流电源输入1和直流电源输入2做为逆变器的主电路供电电源，给主电路供电；给定输入信号3是系统输出信号的给定信号，与反馈信号4做差后送入控制器5，生成PWM信号脉宽控制信号，再经过PWM信号发生器6产生PWM信号并驱动主电路器件的开通与关断；输出信号检测单元7用于产生反馈信号。PWM信号发生器6即可以由三角波载波电路与参考信号模拟比较电路实现，也可以由控制CPU内部的PWM信号产生方法实现。

2.根据权利要求1所述的新型DC/AC逆变器，其特征是其主电路供电是由两组独立直流电源供电，主电路输出是一路交流电源；主电路拓扑由正反两组BUCK-BOOST电路组成，即可以实现升压输出，也可以实现降压输出。

3.根据权利要求1和要求2要求的新型DC/AC逆变器，其系统给定输入3、反馈信号4、控制器5、PWM信号发生器6在具体实现时可以是由电位器、模拟PID控制器和三角波比较信号等模拟组成，也可以由按键、CPU等数字电路组成。