改進(jìn)型Dual-Buck逆變器

周力為，魏然，周科，高峰

（1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272129）

改進(jìn)型Dual-Buck逆變器

周力為1，魏然2，周科2，高峰1

（1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272129）

在逆變系統(tǒng)中，電路運(yùn)行的可靠性是拓?fù)湓O(shè)計(jì)需要考慮的主要指標(biāo)之一。在電路工作過(guò)程中，例如直通或者反向恢復(fù)過(guò)慢等問(wèn)題會(huì)直接影響一個(gè)電路工作的可靠性。Dual-Buck逆變器能夠在不加死區(qū)保護(hù)的情況下解決以上的問(wèn)題。但是較低的電感利用率使得整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量增大。首先總結(jié)了幾種傳統(tǒng)的Dual-Buck電路拓?fù)湟约耙环N單電感結(jié)構(gòu)的Dual-Buck逆變器。然后提出了能夠改善基于MOSFET逆變器可靠性的方法。新型的方法在保留傳統(tǒng)Dual-Buck逆變器高可靠性的基礎(chǔ)上解決了電感利用率低的問(wèn)題，而且相比于之前的單電感Dual-Buck逆變器損耗更小，控制復(fù)雜度更低，具有較為實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

Dual-Buck逆變器；死區(qū)保護(hù)；反向恢復(fù)

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，逆變電路運(yùn)行的可靠性受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。然而，直通問(wèn)題對(duì)電路的可靠性來(lái)說(shuō)是主要威脅。傳統(tǒng)的解決電路直通危險(xiǎn)的方法是增加死區(qū)。然而，死區(qū)會(huì)導(dǎo)致輸出電流波形的畸變，而且，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流可能會(huì)流經(jīng)開(kāi)關(guān)的體二極管從而導(dǎo)致反向恢復(fù)失敗［1］。

為了解決上述問(wèn)題，Dual-Buck逆變器是一種能夠改善電路可靠性的拓?fù)?。通過(guò)并聯(lián)2組單相Buck電路，Dual-Buck逆變器能夠避免直通的危險(xiǎn)，而且續(xù)流電流會(huì)流經(jīng)獨(dú)立的二極管，從而解決MOSFET體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。然而，Dual-Buck逆變器的主要缺點(diǎn)是電感利用率較低，在每個(gè)工作模式下只有一半的電感得到利用，增加了系統(tǒng)的成本和體積［2-4］。

為了改善Dual-Buck拓?fù)涞碾姼欣寐剩墨I(xiàn)［5］提出了一種基于單電感的Dual-Buck逆變器。此電路能夠?qū)﹄姼羞M(jìn)行充分利用。但是相比于傳統(tǒng)電路增加了2個(gè)開(kāi)關(guān)，在續(xù)流狀態(tài)下電流流經(jīng)4個(gè)開(kāi)關(guān)，因此導(dǎo)通損耗會(huì)有所增加，不利于整體效率的提升。

本文提出一種改善逆變器可靠性的方法，尤其是針對(duì)基于MOSFET的逆變器電路。提出的方法分為2種電路結(jié)構(gòu)，分別為無(wú)緩沖電感的Dual-Buck橋臂和帶緩沖電感的Dual-Buck橋臂。將上述2種橋臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用于全橋逆變器中所構(gòu)成的新型電路拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：

1）保持了傳統(tǒng)Dual-Buck電路的高可靠性，在不加死區(qū)的情況下無(wú)直通危險(xiǎn)；

2）新型電路能夠大幅提高Dual-Buck結(jié)構(gòu)的電感利用率；

3）提出的電路相比于文獻(xiàn)［5］中的結(jié)構(gòu)節(jié)省了2個(gè)開(kāi)關(guān)，從而具有更低的導(dǎo)通損耗和更為簡(jiǎn)單的控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的可行性。

1 改進(jìn)型Dual-Buck逆變器

圖1所示為幾種傳統(tǒng)的Dual-Buck逆變器電路［6-7］。Dual-Buck拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)是電感利用率只有50%，為了解決這個(gè)問(wèn)題，給出了圖2所示的一種單電感Dual-Buck結(jié)構(gòu)。這種逆變器雖然能夠充分利用電感，但是額外增加的2個(gè)開(kāi)關(guān)增加了導(dǎo)通損耗和控制復(fù)雜度，而且反向串聯(lián)的2個(gè)開(kāi)關(guān)在流通電流時(shí)也會(huì)存在反向恢復(fù)的問(wèn)題。

圖1 幾種Dual-Buck逆變器Fig.1 Several Dual-Buck inverters

圖2 單電感Dual-Buck逆變器Fig.2 Dual-Buck full bridge inverter with single inductor

為了解決上述直通以及反向恢復(fù)等問(wèn)題，本文提出了2種新型的Dual-Buck電路，新型拓?fù)浔Ａ袅藗鹘y(tǒng)Dual-Buck逆變器的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠解決電感利用率較低的問(wèn)題，相比于文獻(xiàn)［5］中的單電感電路具有導(dǎo)通損耗小，控制復(fù)雜度低等優(yōu)勢(shì)。

1.1 改進(jìn)型無(wú)緩沖電感Dual-Buck逆變電路

本節(jié)提出一種改進(jìn)型單電感橋臂，圖3所示為傳統(tǒng)Dual-Buck橋臂和改進(jìn)型的單電感橋臂?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)Dual-Buck結(jié)構(gòu)的2個(gè)電感被2個(gè)二極管和1個(gè)電感代替，將改進(jìn)橋臂應(yīng)用于全橋逆變器中得到如圖4所示新型電路結(jié)構(gòu)。相比于文獻(xiàn)［5］中所示的結(jié)構(gòu)，本文提出的拓?fù)涔?jié)省了2個(gè)開(kāi)關(guān)，具有更低的導(dǎo)通損耗和控制復(fù)雜度。

圖3 兩種橋臂拓?fù)銯ig.3 Two kinds of phase leg topologies

圖4 提出的無(wú)緩沖電感Dual-Buck逆變器Fig.4 Proposed Dual-Buck full bridge inverters without the buffer inductor

提出電路的4種工作狀態(tài)如圖5所示，一種簡(jiǎn)單的單極性正弦載波調(diào)制策略可以用于控制此電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。下面對(duì)4種工作模式進(jìn)行分析：

模式1：在電網(wǎng)電壓正半周期，S1高頻動(dòng)作，S4保持導(dǎo)通，當(dāng)S1和S4均導(dǎo)通時(shí)，電流依次流經(jīng)S1，電網(wǎng)和S4；

模式2：當(dāng)S1關(guān)斷，電流依次流經(jīng)D2、電網(wǎng)和S4。如圖5b所示，在續(xù)流階段，二極管D4阻止了電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S2的體二極管，從而避免了MOSFET反向恢復(fù)失敗導(dǎo)致的直通問(wèn)題；

模式3：在電網(wǎng)電壓負(fù)半周期，S2高頻動(dòng)作，S3保持導(dǎo)通，當(dāng)S2和S3均導(dǎo)通時(shí)，電流依次流經(jīng)S3，電網(wǎng)和S2；

模式4：當(dāng)S2關(guān)斷，電流依次流經(jīng)S3、電網(wǎng)和D1。如圖5d所示，在續(xù)流階段，二極管D3阻止了電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S1的體二極管，從而避免了MOSFET反向恢復(fù)失敗導(dǎo)致的直通問(wèn)題。

圖6所示為提出電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)波形圖。

圖5 提出逆變器的4種工作模式Fig.5 Four working modes of the proposed Dual-Buck full bridge inverter

圖6 提出逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)Fig.6 The switching signals of the proposed inverters

1.2 改進(jìn)型緩沖電感Dual-Buck逆變電路

本節(jié)提出另一種基于緩沖電感的Dual-Buck逆變電路，如圖7所示為提出的改進(jìn)型緩沖電感Dual-Buck逆變器。通過(guò)在傳統(tǒng)Dual-Buck橋臂中間增加1個(gè)感值很小的緩沖電感也可以有效提高電路的可靠性并且避免直通以及反向恢復(fù)問(wèn)題。

圖8所示為基于緩沖電感Dual-Buck逆變器的4種工作模式，同樣一種簡(jiǎn)單的單極性調(diào)制策略可以控制該電路的運(yùn)行。值得注意的是在續(xù)流階段，緩沖電感具有阻止電流流向MOSFET體二極管的作用，從而避免了反向恢復(fù)過(guò)慢帶來(lái)的直通危險(xiǎn)。以負(fù)半周期為例，如圖8d所示，電流依次流經(jīng)S3、電網(wǎng)和D1，由于緩沖電感中電流無(wú)法突變，因此，電流不會(huì)在由圖8c模態(tài)轉(zhuǎn)向圖8d模態(tài)時(shí)流經(jīng)S1的體二極管，從而解決了反向恢復(fù)問(wèn)題，可靠性得到改善。此外，緩沖電感感值遠(yuǎn)小于濾波電感，因此此電路的電感利用率相比傳統(tǒng)Dual-Buck電路有大幅度提升，而且相比于文獻(xiàn)［5］所示的單電感Dual-Buck逆變器節(jié)省2個(gè)開(kāi)關(guān)，具有更低的導(dǎo)通損耗和更為簡(jiǎn)單的控制方式。

圖8 提出電路的4種工作模式Fig.8 Four working modes of the proposed Dual-Buck full bridge inverter

1.3 兩種改進(jìn)型Dual-Buck逆變器的對(duì)比分析

下面對(duì)提出的2種改進(jìn)型Dual-Buck逆變器進(jìn)行對(duì)比分析。首先在電感利用率方面，2種結(jié)構(gòu)都能夠大幅度提升傳統(tǒng)Dual-Buck逆變器的電感利用率，節(jié)省了成本和體積。其次，無(wú)緩沖電感結(jié)構(gòu)僅需要1個(gè)濾波電感，因此節(jié)省了電感鐵心，僅需要增加2個(gè)二極管來(lái)提供續(xù)流回路，雖然一定程度上增加了導(dǎo)通損耗，但是相比于文獻(xiàn)［5］中的單電感結(jié)構(gòu)在效率方面仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)。最后，基于緩沖電感的結(jié)構(gòu)雖然增加了1個(gè)感值較小的電感，但是沒(méi)有增加額外的器件導(dǎo)通損耗，所以效率上具有優(yōu)勢(shì)，而且電感利用率為95.5%，相比傳統(tǒng)Dual-Buck逆變器有大幅度改善。所以本文提出的2種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)本文提出的2種新型Dual-Buck電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。電路參數(shù)為：直流電壓400 V，并入電網(wǎng)220 V/50 Hz，開(kāi)關(guān)頻率選取10 kHz，輸出濾波電感2 mH，緩沖電感0.2 mH，并網(wǎng)電流通過(guò)1個(gè)PR控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。圖9所示為仿真波形圖，圖9a和圖9b分別為無(wú)緩沖電感型電路和基于緩沖電感電路的并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓以及輸出電壓波形。

圖9 仿真波形Fig.9 The simulations waveforms

圖10給出了提出的2種電路結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)電流畸變率的仿真結(jié)果，其中圖10a為無(wú)緩沖電感Dual-Buck逆變器的并網(wǎng)電流波形畸變率，圖10b為基于緩沖電感Dual-Buck逆變器的并網(wǎng)電流波形畸變率，可以看出兩種逆變器的THD均在5%以?xún)?nèi)，符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出方法的可行性，搭建了逆變器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，電路參數(shù)同仿真模型相同，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)波形如圖11a和圖11b所示。其中，ug為電網(wǎng)電壓，il為并網(wǎng)電流，uab為輸出橋臂輸出電壓。

圖10 并網(wǎng)電流波形畸變率Fig.10 The grid connected current distortion rates of the proposed inverter

圖11 實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 The experimental waveforms

3 結(jié)論

本文提出了基于改進(jìn)型的Dual-Buck逆變電路，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)Dual-Buck逆變電路進(jìn)行改造，并增加額外的2個(gè)二極管或者1個(gè)緩沖電感可以解決直通或者反向恢復(fù)的問(wèn)題，從而提高電路運(yùn)行的可靠性，另外，本文所提拓?fù)浣鉀Q了傳統(tǒng)Dual-Buck電路電感利用率小的問(wèn)題，并且相比于已經(jīng)提出的單電感Dual-Buck結(jié)構(gòu)具有更低的導(dǎo)通損耗和更簡(jiǎn)單的控制方式。

［1］Kerekes，Teodorescu R，Rodriguez P，et al.A New High-effi? ciency Single-phase Transformerless PV Inverter Topology.IEEE Trans.Ind.Electron，2011，58（1）：184-191.

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［3］Hong Feng，Ying Pei-pei，Wang Cheng-hua.Decoupling Con?trolof Input Voltage Balance for Diode-clamped Dual Buck Three-level Inverter［C］//in Proc.28th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Long Beach，California，USA，2013，482-488.

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修改稿日期：2016-05-15

Improved Dual-Buck Inverter

ZHOU Liwei1，WEI Ran2，ZHOU Ke2，GAO Feng1
（1.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jining Power Supply Company，Jining 272129，Shandong，China）

In an inversion system，high reliability is one of the main targets to design the topology.Some problems will threaten the reliability of the system，such as the shoot through issue and the failure of reverse recovery.The Dual-Buck inverters can solve the above problems without adding dead time，but the low utilization of the inductance increases the volume and weight of the system.Firstly reviewed the traditional Dual-Buck topologies and a single inductor Dual-Buck inverter which can make full use of the inductance.Then a method to improve the reliability of the MOSFET inverters was proposed.The novel method maintained the Dual-Buck inverter′s advantage of high reliability and can make full use of the inductance.Also，compared to the single inductor Dual-Buck inverter，the novel method could achieve lower conducting loss and simpler controlling strategy.Finally，the experimental results verify the theoretical analysis.

Dual-Buck inverter；dead-time protection；reverse recovery

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161105

周力為（1992-），男，碩士研究生，Email：18769785783@163.com

2015-09-28