雙BUCK半橋逆變器研究

一　引言
　　逆變器是二次電源系統(tǒng)，它把直流電源變換成恒頻恒壓的交流電源。逆變器常采用的拓撲有半橋、全橋、反激或在此基礎上加一些輔助器件構成軟開關或高頻磁鏈等結構；控制方法也常采用載波交截式（△SPWM）和滯環(huán)電流控制方式等兩種。在橋式拓撲結構中，為了避免同一橋臂的上、下開關管的直通，所以在同一橋臂的驅動信號之間加入死區(qū)。由于死區(qū)的加入，一方面造成輸出電壓波形畸變；另一方面開關頻率不能太高，濾波電感和濾波電容都比較大，系統(tǒng)動態(tài)性能較差。又由于電路工作在續(xù)流時，是通過開關管的體二極管進行；開關管體二極管性能比一般的高性能單獨二極管的性能差，特別是反向恢復時間較長，因此造成系統(tǒng)效率較低。于是人們又提出由兩個BUCK電路構成雙BUCK半橋逆變電路，來解決此問題（拓撲如圖（1）所示）。雙BUCK半橋逆變器控制方法也有△SPWM和無偏置電流半周期滯環(huán)電流控制方式等。由于BUCK 電路在負載較小時有可能工作在電流斷續(xù)模式，那么會造成輸出電壓波形畸變，所以在△SPWM控制方式中需加入額外偏置電流信號。這樣就造成濾波電感中始終有環(huán)流流過，系統(tǒng)效率較低。而采用無偏置電流半周期滯環(huán)電流控制方式能較理想地實現(xiàn)兩個電感電流自然切換和半周運行，實現(xiàn)較高的開關頻率和需要較小的濾波電感，很好的解決這個問題。下面以無偏置電流半周期兩態(tài)滯環(huán)電流控制方式分析此電路。

圖（1）主電路

二　 工作原理
1．兩態(tài)滯環(huán)電流控制方式原理是
　　電流基準（電壓誤差調節(jié)信號）和電感電流反饋信號相比得到電流誤差信號ie，電流誤差信號ie再經(jīng)滯環(huán)比較器得到PWM信號來驅動驅動功率管，控制電感電流在設定的環(huán)寬內（±h）變化。當電流誤差信號ie大于正環(huán)寬（+h）時，開關管關斷，電感電流減少；當電流誤差信號ie小于負環(huán)寬（-h）時，開關管開通，電感電流增加；當電流誤差信號ie在正負環(huán)寬內，開關狀態(tài)維持前一狀態(tài)不變。就這樣一直調節(jié)下去，可以保證輸出跟隨輸入，并且誤差在正負環(huán)寬內。由于電流環(huán)的引入，使系統(tǒng)響應加快、動態(tài)性能好、系統(tǒng)穩(wěn)定性加強。所以流環(huán)控制得到廣泛的應用。

2．雙BUCK半橋逆變器無偏置電流半周期兩態(tài)滯環(huán)電流控制調制過程如下（控制框圖如圖（2））
　　 當逆變器輸出電流為正向

（電感L1中有電流）時，S1、L1和D1調制工作，S2、D2不工作，L2中電流為零，使電感L1中的電流跟蹤電流給定信號，工作區(qū)間如圖（3）中的A、B區(qū)間；A區(qū)間電流電壓不同相，為能量回饋給輸入電源，而B區(qū)間電流電壓同相，為能量從輸入電源傳遞給負載。當逆變器輸出電流為負向

（電感L2中有電流）時，S2、D2和L2調制工作，S1、D1不工作，L1中電流為零，使電感L2中的電流跟蹤電流給定信號，工作區(qū)間如圖（3）中C、D區(qū)間；C區(qū)間電流電壓不同相，為能量回饋給輸入電源，D區(qū)間電流電壓同相，為能量從輸入電源傳遞給負載。電流表達方為：

（1）

圖（2）控制框圖

圖（3）電壓和電感電流波形
3．下面簡要說明雙BUCK半橋逆變器工作原理
　　假設電感L1=L2=L；C1=C2且很大，可把它們看成兩個恒壓源且電壓大小相等；開關管S1，S2和二極管D1，D2均視為理想器件。工作過程如下（參照圖（1））：
　?、?當 時

a. 模態(tài)1　S1導通，S2關斷
　　在輸入電壓和輸出電壓作用下，電感L1中電流增加，變化率為：
（2）

（其中）　此模態(tài)中，電感電流以

的斜率上升?！　　　　?
　　b. 模態(tài)2　S1關斷，S2關斷
　　在輸入電壓和輸出電壓及D1導通作用下，電感L1中電流減少，變化率為：

（3）

此模態(tài)中，電感電流以的斜率下降

　Ⅱ 當 時：c. 模態(tài)3　S2導通，S1關斷
　　在輸入電壓和輸出電壓作用下，電感L2中電流減少，變化率為：
（4）

此模態(tài)中，電感電流以的斜率下降

d. 模態(tài)4　S2關斷，S1關斷
　　在輸入電壓和輸出電壓及D2導通作用下，電感L2中電流增加，變化率為：

（5）

4．開關頻率的計算

　　下面以開關管S1為研究對象進行分析：
　　設

，在S1導通時（導通時間為T1）電感L1中電流在輸入電壓和輸出電壓Uo的作用下增加。在T1時間內電感電流增加，增加為△I=2h，側
（6）　在S1關斷時（關斷時間為T2），電感L1中電流的電流不能突變，通過負載，電容C2和二極管D2形成回路，這時輸出電壓和輸入電壓共同阻止電感中電流。在T2時間內電感電流減少，變化為△I=-2h，側 （7）對于開關管S1來說，其開關周期
，則頻率為 。那么由式（6）和（7）可得開關頻率表達式：