CN103138615A

CN103138615A - 基于buck电路的dc/ac变换器

Info

Publication number: CN103138615A
Application number: CN2013100749862A
Authority: CN
Inventors: 丁晓东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-06-05

Abstract

基于BUCK电路的DC/AC变换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电路，可实现降压输出功能，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供电，输出正弦信号的正负半波电路采用模块化设计。

Description

基于BUCK电路的DC/AC变换器

技术领域

本发明提出一种基于BUCK电路的DC/AC变换器，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，也可用于普通单相异步电动机调速等领域。

背景技术

DC/AC变换器是一种利用电力电子器件，借助与电力电子功能电路，将直流电能转换成满足负载供电要求交流电静止式变流装置。DC/AC变换器主要用于向负载提供交流电，俗称无源逆变，或者用于向电网供电场合，如风力、太阳能发电并网，可称之为有源逆变。目前，人们特别关注可再生新能源的分布式发电技术。利用DC/AC变换器可将蓄电池、太阳能电池、风力发电装置和燃料电池等新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电，因此DC/AC变换技术在新能源的开发和利用中起到关键的作用。传统电压型逆变器多采用PWM调制直接实现DC/AC变换，电压波形存在电压突变，对器件和负载的耐电压突变能力要求较高且逆变器工作效率随着输出功率的减少而明显下降。另外，常规的DC/AC变换多通过控制电力电子器件强制通断，电力电子器件的开关损耗和使用寿命都受到影响。为了解决上述问题，需要对直流电源与逆变器进行重新设计以提高整机效率和可靠性；为了延长电力电子器件的寿命和工作的可靠性还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电路的DC-AC变换器，系统采用两输入一输出形式，既可以实现输出电压幅值的自动调节又可以借助于成熟的软开关技术，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3BUCK电路工作模式1；

图4BUCK电路工作模式2；

图5是系统开环PD控制框图；

图6是系统闭环PI控制框图；

具体实施方法

图1为DC/AC变换器各部分构成图。DC/AC变换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做为变换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DC/AC变换器主电路拓扑图。变换器由正向和反向两组BUCK电路组成。正向BUCK电路负责提供正半周输出，反向BUCK电路负责产生负半周输出。

开关器件S₁与直流输入电压E₁串联，通过S₁硬开通和关断，在二极管D₁阳极侧产生方波电压。采用恒频控制方式，占空比连续可调。具体工作过程如下：

S₁导通时，其等效电路如图3所示，此时电源E₁通过电感L向负载和输出电容供电。在电感电压u_L＝E₁-U_o(U_O为输出电压u_o平均值)作用下，电感电流i_L线性增长，使电感储能。S₁关断时，电感储能通过续流二极管D₁释放，i_L线性减少为输入，其等效电路如图4所示，此时u_L＝-U_o。一个稳定运行周期中，电感电流的净变化量为零。根据这一点可找出任何开关变换器中的稳定条件——电感伏秒(磁链)平衡原理。假定S₁导通时间t_on，关断时间t_off，t_on+t_off＝T，T为工作周期，一周期内电感电压u_L积分为零，即

(E-U_o)T_on-U_oT_off＝0

由此求得Buck变换器的输入、输出电压关系为

\frac{U_{o}}{E} = \frac{t_{on}}{t_{on} + t_{off}} = \frac{t_{on}}{T} = α

因α≤1，U_o≤E，故为降压变换关系。

若忽略电路变换损耗，输入、输出功率相等，则有

EI＝U_oI_o

式中，I为输入电流i平均值；I_o为输出电流i_o平均值。则可求得变换器的输入、输出电流关系为

\frac{I_{o}}{I} = \frac{E}{U_{o}} = \frac{1}{α}

因此电流连续时Buck变换器完全相当于一个“直流”变压器。

由上面的分析可知，Buck电路输出电压与占空比α成正比，要想得到正弦电压输出，只需要按照正弦规律控制占空比变化就可实现。在实现过程中，由于Buck电路输出极性不能发生变化，故需要正反两组Buck电路配合使用。

为了实现DC-AC转换器功能，需要S₁/S₂与S₃/S₄搭配使用。当需要输出电压的正向部分时，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，当需要输出电压的负向部分时，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是高频三角波调制方法。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5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6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，单交流电源输出，输出正弦电压。

Claims

1.新型DC/AC变换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做为变换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DC/AC变换器，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电路组成。

3.根据权利要求1和要求2要求的DC/AC变换器，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。