CN1195349C - 滞环电流控制型双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

一种涉及滞环电流控制型双降压式半桥逆变器，其主电路由两个降压式电路组成，即由电源(Vd₁)、功率开关管(S₁)、滤波电感(L₁)、滤波电容(C)及续流二极管(D₁)组成一个降压式逆变电路；由电源(Vd₂)、功率开关管(S₂)、滤波电感(L₂)、滤波电容(C)及续流二极管(D₂)组成另一个降压式逆变电路。这种双降压逆电变电路，正常工作时，不需要任何偏置工作电流，减少了功率管和电感等主电路器件的导电损耗，还由于本电路采用非线性的滞环电路控制方法，即在电感电流断续的区段，自动调整提高开关频率，使电感电流的高频纹波限制在指定的环宽内，基本消除了因电感电流断续引起的输出电压失真，这是线性的控制方法在相同的主电路参数和开关频率下无法实现的。

Description

滞环电流控制型双降压式半桥逆变器

技术领域：

本发明的滞环电流控制型双降压式半桥逆变器属电力电子逆变器。

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度提高，减小了滤波器的体积重量，提高了动态响应性能。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。怎样进一步提高变换器的功率密度，如何在实现高频化的同时保证较高的效率，是当前研究的关键问题。在较高开关频率下，开关损耗是主要损耗之一，软开关技术可以有效的减少变换器的开关损耗。近十几年，围绕逆变器的软开关问题，国内外学者作了大量的研究，取得了不少有价值的研究成果。主要有极谐振逆变器，谐振直流高频链逆变器(Resonant Dcink Inverter)，谐振缓冲网络逆变器(Resonant Snubber Lnverter)等等。这些软开关技术在某些特定场合得到了成功的应用，但始终没有得到一种既简洁又高效的方法。N。R。Zargari提出了一种高可靠性的逆变电路，在此称为双降压式Bi-Buck逆变电路，它由两个Buck电路组成，克服了传统桥式逆变桥的直通问题，尤其适用于航空航天，UPS系统等对可靠性要求高的应用。GerldR.Sesnley将其成功地应用于功率放大器，在高频开关频率下(ZookHz)，消除了死区时间对输出电压波形质量影响。但所采用的控制方法都基于斜坡比较SPWM，为保证电路正常工作，在轻载时输出电压不会由于电感电流断续而失真，就必须要有偏置电流，因此影响系统效率。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，从提高逆变器的频率和效率的角度出发，研制一种能消除在正常工作时所必需的偏置电流和电感电流断续而造成的电压失真，实现逆变器在较高效率和频率下运行的双降压式逆变器(BBI)。为实现上述目的，本发明的滞环电流控制型双降压式(BUCK)逆变器主电路的组成是由两个降压式(BUCK)电路组成，在逆变器滤波电感输出正向电流时，由两个相互串联电源之一的电源正端依次连于功率开关管、滤波电感、滤波电容以及其阴极连于功率开关管(S₁)与滤波电感(L₁)的连接点，而阳极连于另一电源负端的续流二极管组成BUCK电路调制滤波输出；滤波电感输出负向电流时，由另一电源负端依次连于另一功率开关管，另一滤波电感及同一滤波电容以及其阳极连于另一功率开关管(S₂)与另一滤波电容(L₂)的连接点，而阴极连于电源正端的续流二极管组成BUCK电路调制输出。这种主电路的组成，实现了本双降式逆变器在一个周期中，一个降压变换器调制滤波输出，另一个降压变换器不工作的轮换工作方式，达到了不需要任何偏置工作电流就能正常工作的目的，从而减少了功率管和电感等主电路器件的导电损耗。

本主电路还由于两只功率开关管之间串联着两只滤波电感，没有传统逆变桥的直通问题，大大提高了可靠性，另外，续流电流流过独立的续流二极管，功率开关管和续流二极管可分别进行优化设计，二极管不会出现很大的反向恢复电流，避免了造成很大的开关损耗。

本主电路的控制方法采用自适应性很强的非线性控制方法——滞环电流控制，即在电感电流断续的区段，自动调整提高开关频率，使电感电流的高频纹波限制在指定的环宽内，基本消除了因电感电流断续引起的输出电压失真现象，这是线性控制方法在相同的主电路参数和开关频率下无法做到的，而且在控制方法上克服了引入直流偏置引起的输出电压存在直流分量问题。高频运行下的双降压式逆变电路具有较宽的系统频率带宽，快速的动态响应性能，高稳定，高电压调整率等一系列优点。

附图说明

图1是滞环电流控制型双降压式半桥逆变器的主电路原理图。

图中符号名称：Vd₁、Vd₂——电源，S₁、S₂——功率开关管，L₁、L₂——滤波电感，D₁、D₂——续流二极管，C——滤波电容。

图2是滞环电流控制型双降压式半桥逆变器电流环控制原理图。

图中框图名称：1、电感L₁电流检测，2、电压误差信号，3、电感L₂电流检测，4、5——滞环比较器，6、7——驱动电路，8、功率开关管S₁，9、功率开关管S₂。

图3是带环电流控制型双降压式半桥逆变器的实施电路原理图。

图3中的标号及符号名称与图1和图2一致，其中标号10是电压给定基准，11、输出电压控制信号，12与13是电流互感器。

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式。图1可知，本发明的滞环电流控制型双降压式(BUCK)半桥逆变器主电路由两个降压式(BUCK)电路组成，在逆变器输出正向电流时，由电源Vd₁输出正端依次连于功率开关管S₁、滤波电感L₁、滤波电容C，滤波电容C另一端连于“地”，以及其阳极与电源Vd₂负端相连，而阴极连于功率开关管S₁与滤波电感L₁的连接点的续流二极管D₁组成BUCK电路的调制滤波输出电路；输出负向电流时，由电源Vd₂输出负端连于功率开关管S₂、滤波电感L₂、滤波电容C，滤波电容C另一端连于“地”以及其阳极连于功率开关管S₂与滤波电感L₂的连接点，阴极连于电源Vd₁正端的续流二极管D₂组成BUCK电路的调制输出电路。由图1可知，由于两只功率开关管S₁、S₂之间串联着两只滤波电感L₁、L₂，因此没有传统逆变桥的直通问题，大大提高了可靠性。另外，续流电流流过独立的续流二极管D₁、D₂，因此功率开关管和续流二极管可以分别得到最优设计，续流二极管可采用快恢复二极管，这样由反向恢复电流引起的损耗就大大减少。

图2是滞环电流控制型双降压式半桥逆变器电流环控制原理图。滞环电流控制是一种优越的非线性控制方法，实现电路简单，稳定性高，具有内在的电流限制能力，动态响应快。其基本原理是采用电压电流双闭环，电压外环实现稳定控制，电流内环的控制机理如图2所示，即滤波电感L₁电流检测1的信号经滞环比较器4后通过驱动电路6控制功率开关管(S₁)8；同样，滤波电感L₂电流检测3的信号经另一滞环比较器5后通过另一驱动电路7控制另一功率开关管(S₂)9。其中电压误差信号分别送入滞环比较器4与滞环比较器5。这种控制方法的工作过程是，分别反馈控制两个滤波电感电流，使当逆变器输出正向电流时功率开关管S₁、续流二极管D₁、滤波电感L₁和滤波电容C组成调制滤波输出，同时通过滞环电流控制，使电感L₁电流在设定的环宽内，功率开关管S₂、续流二极管D₂不工作，滤波电感L₂的电流为零；反之功率开关管S₁、续流二极管D₁、滤波电感L₁不工作，功率开关管S₂、续流二极管D₂、滤波电感L₂工作。

图3是本发明的实施例电路原理图。由图3可知，通过电流互感器12将电感L₁电流检测信号1连于滞环比较器4经驱动电路6连于功率开关管S₁8；同样通过电流互感器13将电感L₂电流检测信号3连于滞环比较器5经驱动电路7连于功率开关管S₂9；输出电压检测信号、11连于电压误差放大器2负端，电压给定基准信号10输入电压误差放大器2正端。工作原理是采动电压电流双闭环。电压外环起稳压作用，输出电压检测信号11与基准电压正弦波10比较后，经过电压误差放大器2，得到电压误差信号。电压误差信号作为电流环的基准，分别与控制电感L₁与L₂的电流检测信号比较，经两个滞环比较控制器4与5，产生PWM调制信号，经驱动电路6与7送至功率开关管S₁和S₂，控制电感L₁和L₂的电流分别在输出周期的半周工作。同时控制电路电流高频纹波在指定的环宽范围内，保证较小的输出谐波含量。因此滞环电流控制有很强的自适应能力，在电感电流较小的区段，自动调整提高开关管频率，消除电感电流断续流引起的输出电压失真，这一点是线性的控制方法无法实现的。

Claims (1)

1、一种滞环电流控制型双降压式半桥逆变器，主电路由两个降压式电路组成，其特征是，在逆变桥输出正向电流时，由两个相互串联电源之一的电源正极依次连于功率开关管(S₁)、滤波电感(L₁)、滤波电容(C)，滤波电容(C)另一端连于“地”，以及其阴极连于功率开关管(S₁)与滤波电感(L₁)的连接点，而阳极连于另一电源负极的续流二极管(D₁)组成的降压式电路的调制滤波输出；输出负向电流时，由另一电源负极依次连于另一功率开关管(S₂)、另一滤波电感(L₂)及与“地”相连的同一滤波电容(C)以及阳极连于另一功率开关管(S₂)与另一滤波电感(L₂)的连接点，而阴极连于电源正极的续流二极管(D₂)组成的另一降压式电路调制滤波输出，形成一个负载工作周期中，一个降压变换器调制滤波输出，另一个降压变换器不工作的轮换工作方式，该主电路的控制方法采用自适性的非线性滞环电流控制方法，即在电感电流断续的区段，自动调整提高开关频率，使电感电流的高频纹波限制在指定的环宽内，其具体方法是将滤波电感(L₁)电流检测(1)的信号经滞环比较器(4)后通过驱动电路(6)控制功率开关管(S₁)；同样将另一滤波电感(L₂)电流检测(3)的信号经另一滞环比较器(5)后通过另一驱动电路(7)控制另一功率开关管(S₂)，其中该双降压式半桥逆变器的输出电压检测信号(11)与电压给定基准信号(10)经电压误差信号放大器(2)比较后的电压误差信号，作为电流环的基准，分别送入滞环比较器(4)与另一滞环比较器(5)，分别与滤波电感(L₁)与另一滤波电感(L₂)的电流检测信号比较后产生PWM控制信号，经驱动电路(6)与另一驱动电路(7)控制功率开关管(S₁)与另一功率开关管(S₂)。