CN103138616B - 一种组合式dc/ac变换器 - Google Patents

Abstract

一种基于BUCK电路和BUCK-BOOST电路的新型组合式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、正负半周鉴别电路4、反馈信号5、控制器6、PWM信号发生器7、PWM信号分配单元8、输出信号检测单元9、负载10和主电路11等组成。本发明基于BUCK电路和BUCK-BOOST电路，可实现降压输出功能，可有效利用成熟的软开关技术，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半周电压输出和负周电压输出，属于电压型DC/AC变换器。

Description

一种组合式DC/AC变换器

技术领域

本发明提出一种基于BUCK电路和BUCK-BOOST电路的新型组合式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变换应用十分广泛，各类直流电源(如蓄电池、电瓶、太阳能光伏电池等)需向交流负载供电时就需先进行逆变；交流电机用的变频器、不间断电源、有源逆变器、感应加热装置等其核心变换就是逆变；现代风电技术中产生的直流能量也需采用逆变技术变换成交流电能予以利用，所以DC/AC逆变技术是电力电子技术中最为重要的变换技术。在人们关注很多可再生新能源的分布式发电领域实现并网发电，DC/AC逆变技术起到了关键作用。传统电压型逆变器存在诸多缺点，一是多采用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；二是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；三是在新能源发电中，输出电压受到诸多外部条件的限制，为了保证电压稳定，需要引入变压器等中间环节，影响了系统的整体工作效率。为了减小电压突变对开关器件及负载的冲击和减小系统的开关损耗，最大限度减小设备硬件成本，提高整个系统的工作效率，需要设计一种新型的DC/AC变换器。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提出一种基于BUCK电路和BUCK-BOOST电路的组合式DC-AC变换电路，采用两输入电源供电，一路交流电源输出形式，既可以实现输出电压自动调节，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。

为了实现上述目的，本发明涉及的新型组合式DC/AC变换器由两组独立直流电源、给定信号、正负半周鉴别电路、反馈信号、控制器、PWM产生器、PWM信号分配单元、输出信号检测单元、负载和主电路电信息连通组成；两组独立直流电源为逆变器的主电路供电；给定信号是输出信号的给定信号，与反馈信号做差后送入控制器，生成PWM信号脉宽控制信号，再经过PWM产生器产生PWM信号，最后经过PWM信号分配单元驱动主电路中各器件的开通与关断；给定信号还与正负半周鉴别电路配合使用，决定正负电压输出的输出状态；输出信号检测单元用于检测变换器的输出；PWM产生器由三角波载波电路与模拟电压比较器LM339组成。

附图说明

图1是本发明涉及的变换器各部件构成结构原理示意框图。

图2是本发明涉及的DC-AC变换器的主电路连接结构原理示意图。

图3是本发明涉及的变换器的闭环PI控制原理示意框图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图做进一步描述。

实施例：

本实施例涉及的逆变器的主体结构由直流电源输入1、直流电源输入2、给定信号3、正负半周鉴别电路4、反馈信号5、控制器6、PWM产生器7、PWM信号分配单元8、输出信号检测单元9、负载10和主电路11电信息连通组成；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；给定信号3是输出信号的给定信号，给定信号3与反馈信号4做差后送入控制器6，生成PWM信号脉宽控制信号，再经过PWM产生器7产生PWM信号，经过PWM信号分配单元8驱动主电路器件的开通与关断；给定信号3还与正负半周鉴别电路4配合使用，决定正负电压输出单元的输出状态；输出信号检测单元9用于产生反馈信号，给定信号3、反馈信号5、控制器6、PWM产生器7在具体实现时由电位器、模拟PID控制器和三角波比较信号的模拟电路组成，或由按键和CPU的数字电路组成；主电路中的正组和反组分别由BUCK电路和BUCK-BOOST电路电信息连通组成，正组负责正半周电压输出，反组负责负半周电压输出；在正组Buck电路中，开关器件S₁与直流输入电压E₁串联，通过开关器S₁实现开通和关断，在续流二极管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；其具体工作过程如下：

开关器件S₁导通时，直流输入电压E₁通过电感L₁向负载和输出电容C₁供电，在电感电压u_L1＝E₁-U_o(U_O为输出电压u_o平均值)作用下，电感电流i_L1线性增长，使电感储能；开关器件S₁关断时，电感L₁储能通过续流二极管D₁释放，i_L1线性减少，此时u_L1＝-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；假定开关器件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

(E₁-U_o)T_on-U_oT_off＝0(1)

由此求得Buck变换器的输入、输出电压关系为

$U_o=\frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}\×E_1=\frac{t_{on}}{T}\×E_1={\mathrm{DE}}_1---\left(2\right)$

由式(2)可知，正组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。

根据上面的推导方法，可以很方便的得到Buck-boost电路的输入、输出电压关系

$U_o=-\frac{D}{1-D}\×E_1=-{\mathrm{\ρE}}_1---\left(3\right)$

由式(3)可知，反组Buck-boost电路输出电压与变比系数ρ成正比，同样只需要按照正弦规律控制变比系数就可以实现；由式(2)和式(3)比较，Buck电路和Buck-boost电路分别只能产生正半周输出和负半周输出，因而在具体实现时需要正组Buck电路和反组Buck-boost电路组合使用。

本实施例实现DC/AC转换器功能时，S₁和S₂搭配使用，S₃和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DC-DC电路，要求其输出电压波动小，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，具体可通过实时调节DC/DC电路的占空比实现。

本实施例保证输出信号对给定参考正弦信号的高质量跟踪效果，采用高频三角波调制方法产生控制脉冲的方法；高频调制三角波调制方法是利用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，即所谓的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；利用由Buck电路和Buck-boost电路组成的正反两组电路实现正弦波正负半波输出，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；具体实现框图如图3所示；当给定正弦波信号V_ref从零开始增加，输出电压跟随给定电压变化，给定与反馈信号做差，再由PI调节器得到控制信号V_e，V_e与三角波比较产生PWM信号控制开关器件S₁、S₂、S₃、S₄的通断，从而输出希望的电压信号。

本实施例与现有技术相比，其采用双直流电源输入，单交流输出，输出电压可实现闭环控制，输出电压稳定。

Claims (1)

1.一种组合式DC/AC变换器，其特征在于主体结构由两组独立直流电源、给定信号、正负半周鉴别电路、反馈信号、控制器、PWM产生器、PWM信号分配单元、输出信号检测单元、负载和主电路电信息连通组成；其中两组独立直流电源做为逆变器的主电路供电电源，给主电路供电；给定信号是输出信号的给定信号，给定信号与反馈信号做差后送入控制器，生成PWM信号脉宽控制信号，再经过PWM产生器产生PWM信号，经过PWM信号分配单元驱动主电路器件的开通与关断；给定信号还与正负半周鉴别电路配合使用，决定正负电压输出单元的输出状态；输出信号检测单元用于产生反馈信号，主电路中的正组和反组分别由BUCK电路和BUCK-BOOST电路电信息连通组成，正组负责正半周电压输出，反组负责负半周电压输出；变换器在正组Buck电路中使用时，开关器件S₁与直流输入电压E₁串联，通过开关器S₁实现开通和关断，在续流二极管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；其具体工作过程如下：

开关器件S₁导通时，直流输入电压E₁通过电感L₁向负载和输出电容C₁供电，在电感电压u_L1＝E₁-U_o作用下，电感电流i_L1线性增长，使电感储能，其中U_O为输出电压u_o平均值；开关器件S₁关断时，电感L₁储能通过续流二极管D₁释放，i_L1线性减少，此时u_L1＝-U_o；一个稳定运行周期中，电感电流的净变化量为零；正组Buck电路输出电压与占空比α成正比，正弦电压输出按照正弦规律控制占空比变化而实现；反组Buck-boost电路输出电压与变比系数ρ成正比，按照正弦规律控制变比系数Buck电路和Buck-boost电路分别产生正半周输出和负半周输出，正组Buck电路和反组Buck-boost电路组合使用；变换器实现DC/AC转换器功能时，S₁和S₂搭配使用，S₃和S₄搭配使用；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；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。