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?fù)溆邪霕?、全橋、反激或在此基礎(chǔ)上加一些輔助器件構(gòu)成軟開(kāi)關(guān)或高頻磁鏈等結(jié)構(gòu)；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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，為了避免同一橋臂的上、下開(kāi)關(guān)管的直通，所以在同一橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(kāi)關(guān)頻率不能太高，濾波電感和濾波電容都比較大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差。又由于電路工作在續(xù)流時(shí)，是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的體二極管進(jìn)行；開(kāi)關(guān)管體二極管性能比一般的高性能單獨(dú)二極管的性能差，特別是反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此造成系統(tǒng)效率較低。于是人們又提出由兩個(gè)BUCK電路構(gòu)成雙BUCK半橋逆變電路，來(lái)解決此問(wèn)題（拓?fù)淙鐖D（1）所示）。雙BUCK半橋逆變器控制方法也有△SPWM和無(wú)偏置電流半周期滯環(huán)電流控制方式等。由于BUCK 電路在負(fù)載較小時(shí)有可能工作在電流斷續(xù)模式，那么會(huì)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(hào)。這樣就造成濾波電感中始終有環(huán)流流過(guò)，系統(tǒng)效率較低。而采用無(wú)偏置電流半周期滯環(huán)電流控制方式能較理想地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電感電流自然切換和半周運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)關(guān)頻率和需要較小的濾波電感，很好的解決這個(gè)問(wèn)題。下面以無(wú)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(zhǔn)（電壓誤差調(diào)節(jié)信號(hào)）和電感電流反饋信號(hào)相比得到電流誤差信號(hào)ie，電流誤差信號(hào)ie再經(jīng)滯環(huán)比較器得到PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率管，控制電感電流在設(shè)定的環(huán)寬內(nèi)（±h）變化。當(dāng)電流誤差信號(hào)ie大于正環(huán)寬（+h）時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電感電流減少；當(dāng)電流誤差信號(hào)ie小于負(fù)環(huán)寬（-h）時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電感電流增加；當(dāng)電流誤差信號(hào)ie在正負(fù)環(huán)寬內(nèi)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)維持前一狀態(tài)不變。就這樣一直調(diào)節(jié)下去，可以保證輸出跟隨輸入，并且誤差在正負(fù)環(huán)寬內(nèi)。由于電流環(huán)的引入，使系統(tǒng)響應(yīng)加快、動(dòng)態(tài)性能好、系統(tǒng)穩(wěn)定性加強(qiáng)。所以流環(huán)控制得到廣泛的應(yīng)用。

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

（電感L1中有電流）時(shí)，S1、L1和D1調(diào)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(hào)，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(niǎo)區(qū)間電流電壓同相，為能量從輸入電源傳遞給負(fù)載。當(dāng)逆變器輸出電流為負(fù)向

（電感L2中有電流）時(shí)，S2、D2和L2調(diào)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(hào)，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(fù)載。電流表達(dá)方為：

（1）

圖（2）控制框圖

圖（3）電壓和電感電流波形
3．下面簡(jiǎn)要說(shuō)明雙BUCK半橋逆變器工作原理
　　假設(shè)電感L1=L2=L；C1=C2且很大，可把它們看成兩個(gè)恒壓源且電壓大小相等；開(kāi)關(guān)管S1，S2和二極管D1，D2均視為理想器件。工作過(guò)程如下（參照?qǐng)D（1））：
　　Ⅰ 當(dāng) 時(shí)

a. 模態(tài)1　S1導(dǎo)通，S2關(guān)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(guān)斷，S2關(guān)斷
　　在輸入電壓和輸出電壓及D1導(dǎo)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

?、?當(dāng) 時(shí)：c. 模態(tài)3　S2導(dǎo)通，S1關(guān)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(guān)斷，S1關(guān)斷
　　在輸入電壓和輸出電壓及D2導(dǎo)通作用下，電感L2中電流增加，變化率為：

（5）

4．開(kāi)關(guān)頻率的計(jì)算

　　下面以開(kāi)關(guān)管S1為研究對(duì)象進(jìn)行分析：
　　設(shè)

，在S1導(dǎo)通時(shí)（導(dǎo)通時(shí)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(shí)間內(nèi)電感電流增加，增加為△I=2h，側(cè)
（6）　在S1關(guān)斷時(shí)（關(guān)斷時(shí)間為T2），電感L1中電流的電流不能突變，通過(guò)負(fù)載，電容C2和二極管D2形成回路，這時(shí)輸出電壓和輸入電壓共同阻止電感中電流。在T2時(shí)間內(nèi)電感電流減少，變化為△I=-2h，側(cè) （7）對(duì)于開(kāi)關(guān)管S1來(lái)說(shuō)，其開(kāi)關(guān)周期
，則頻率為 。那么由式（6）和（7）可得開(kāi)關(guān)頻率表達(dá)式：