雙Buck半橋逆變器輸入電容電壓脈動(dòng)的分析

孟無(wú)忌，張方華，謝江華，王金龍

雙Buck半橋逆變器輸入電容電壓脈動(dòng)的分析

孟無(wú)忌，張方華＊，謝江華，王金龍

南京航空航天大學(xué)多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106

雙Buck逆變器（DBI）是航空靜止變流器（ASIs）的常用拓?fù)?，從雙Buck半橋逆變器（DBHBIs）兩直流電感中分離出交流電感使得體積、重量進(jìn)一步減小。在正常工作，尤其是負(fù)載短路情況下，雙Buck半橋逆變器輸入側(cè)電容上的電壓產(chǎn)生與輸出同頻的脈動(dòng)。以交流電感分立的雙Buck半橋逆變器為例，分析了在額定負(fù)載、短路、級(jí)聯(lián)工作等情況下輸入電容電壓脈動(dòng)的產(chǎn)生原因，給出了該脈動(dòng)的定量計(jì)算方法，并由此得出了輸入側(cè)電容容值的選擇依據(jù)。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了文中分析的正確性。該分析方法同樣適用于其他半橋型逆變器拓?fù)洹?/p>

雙Buck逆變器；航空靜止變流器；半橋；電容電壓脈動(dòng)；短路；兩級(jí)式

航空靜止變流器（Aeronautic Static Inverter，ASI）屬于飛機(jī)電源系統(tǒng)的二次電源，是航空電源系統(tǒng)的重要組成部分［1］。為滿足輸入電壓寬范圍、輸入輸出電氣隔離等要求，航空靜止變流器一般采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)［2］。前級(jí) DC／DC變換器將28V或270V直流電轉(zhuǎn)換為180V或360V直流電，并通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，后級(jí)DC／AC逆變器將180V或360V直流電轉(zhuǎn)換為115V／400Hz的交流電，為機(jī)載設(shè)備供電。

雙Buck逆變器（Dual－Buck Inverter，DBI）是航空靜止變流器中DC／AC逆變器的一種常用拓?fù)?，其橋臂是由一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管串聯(lián)組成，二極管可以優(yōu)化選取，減小反向恢復(fù)；同時(shí)兩開關(guān)管之間接有電感，不存在直通問題，與傳統(tǒng)橋式電路相比，可靠性高，所以在航空電源系統(tǒng)等要求高效率、高可靠性的場(chǎng)合具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［3－6］。雙 Buck 半 橋 逆 變 器 （Dual－Buck Half Bridge Inverter，DBHBI）元器件數(shù)量少，電路拓?fù)浜涂刂坪?jiǎn)單，采用半周期調(diào)制可以減小開關(guān)器件的開關(guān)損耗［7－8］。

半橋式逆變器因其工作特點(diǎn)往往出現(xiàn)輸入側(cè)電容不均壓和低頻脈動(dòng)的問題，使電容中點(diǎn)電壓漂移，導(dǎo)致輸出電壓、電流波形畸變，嚴(yán)重時(shí)甚至使逆變器無(wú)法正常工作。文獻(xiàn)［9－11］分析了半橋逆變器輸入電容不均壓?jiǎn)栴}并提出了抑制措施，也有人提出了其他均壓措施［12－14］，雖然可以使兩電容電壓平均值均等，但都沒有分析單個(gè)電容電壓上低頻脈動(dòng)對(duì)逆變器造成的影響。針對(duì)兩級(jí)式逆變器，文獻(xiàn)［15－16］對(duì)逆變器輸入電流特性進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［17－18］提出了輸入電流紋波抑制措施，使諧波電流盡可能流過(guò)母線電容以減小前級(jí)變換器的功率脈動(dòng)，但這無(wú)疑會(huì)加劇母線電壓的脈動(dòng)，并且沒有考慮半橋式逆變器電容中點(diǎn)電壓的漂移問題。航空靜止變流器中需要電容等無(wú)源器件盡可能小以減小體積、重量，而逆變器輸入電容容值減小將導(dǎo)致電壓脈動(dòng)的增大，因此有必要對(duì)該脈動(dòng)進(jìn)行分析。

本文以交流電感分立的雙Buck半橋逆變器為例，對(duì)輸入電容的電壓脈動(dòng)問題進(jìn)行了分析，說(shuō)明了電壓脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，給出了電壓脈動(dòng)的定量計(jì)算方法，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)分析和計(jì)算的結(jié)果加以驗(yàn)證，并給出了輸入電容容值的選擇依據(jù)。該分析方法同樣適用于其他半橋型逆變器拓?fù)洹?/p>

1 雙Buck半橋逆變器

1．1 電容電壓脈動(dòng)分析

圖1 為一個(gè)交流電感分立的雙Buck半橋逆變器（DBHBI with Discrete AC Filter Inductor，DBHBI with DACFI）［19－20］，與傳統(tǒng) DBI相比，從兩個(gè)直流濾波電感Ldc1、Ldc2中分離出一個(gè)公共的交流濾波電感Lac，從而減小了逆變器的體積和重量。其中2Vin為輸入電壓，vo為輸出電壓，S1、S2為開關(guān)管，D1、D2為續(xù)流二極管，Ldc1＋Lac＝Ldc2＋Lac＝Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，RL為負(fù)載，Cin1、Cin2為輸入電容，VCin1、VCin2分別為Cin1、Cin2上的電壓。交流電感分立的雙Buck半橋逆變器輸出電壓和各電感電流波形示意圖如圖2所示，文獻(xiàn)［19］對(duì)各模態(tài)和對(duì)應(yīng)等效電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合圖2以及模態(tài)分析，在交流濾波電感電流的正半周內(nèi)，由于iLac始終為正，Cin1一直放電，而Cin2一直充電；反之，在整個(gè)負(fù)半周內(nèi)，Cin1一直充電，Cin2一直放電。這將導(dǎo)致Cin1、Cin2上的電壓產(chǎn)生與iLac同頻率的脈動(dòng)，脈動(dòng)的大小與iLac和Cin1、Cin2容值大小的有關(guān)。若Cin1、Cin2容值取得太小，在iLac較大時(shí)，尤其在輸出短路的情況下，電壓脈動(dòng)將會(huì)很大，可能導(dǎo)致電容電壓低于正常輸出時(shí)的峰值電壓，輸出電壓波形被削頂，或功率器件承受的電壓應(yīng)力超過(guò)其耐壓，從而損壞器件。

事實(shí)上，交流濾波電感電流iLac是帶有開關(guān)頻率次脈動(dòng)的400Hz正弦波，一個(gè)輸出周期內(nèi)iLac的波形示意圖如圖3所示。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸出頻率，可以將一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的交流濾波電感電流近似為其在該開關(guān)周期內(nèi)的平均值。以正半周為例，第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的交流濾波電感電流為

式中：ILac＿rms為iLac的有效值；Ns為一個(gè)輸出周期內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

假設(shè)輸入為理想恒壓源，則有

設(shè)計(jì)時(shí)一般取兩輸入電容容值相等，即

因此Cin1、Cin2充放電過(guò)程中，滿足在任意時(shí)刻Cin1放電速度和Cin2充電速度相等，即充電電流iCin1、iCin2相等。同時(shí)iCin1、iCin2應(yīng)滿足：

所以

在正半周的第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電容Cin1兩端電壓VCin1的變化量為

式中：Ts為開關(guān)周期。

根據(jù)式（6）將正半周每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)VCin1的變化量相加，就得到在整個(gè)正半周內(nèi)Cin1上電壓的變化量

負(fù)半周內(nèi)Cin1上電壓變化情況與正半周相反，即整個(gè)負(fù)半周內(nèi)

同理可得正、負(fù)半周Cin2上的電壓脈動(dòng)量。

根據(jù)式（7）～式（8）可知，雙Buck半橋逆變器在額定負(fù)載工作的情況下輸入電容電壓的脈動(dòng)量為

1．2 不同特性負(fù)載的影響

雙Buck逆變器在帶不同特性的負(fù)載時(shí)，交流濾波電感電流的大小以及和輸出電壓的相位關(guān)系不同，會(huì)對(duì)輸入電容電壓脈動(dòng)的大小產(chǎn)生影響。

交流電感分立的雙Buck半橋逆變器帶阻性負(fù)載如圖4（a）所示。在滿載情況下，RL遠(yuǎn)小于Cf的阻抗，可以忽略流過(guò)濾波電容的電流iCf，認(rèn)為流過(guò)交流濾波電感的電流等于負(fù)載電流，即

感性負(fù)載可以是負(fù)載電感和負(fù)載電阻串聯(lián)的形式，也可以是兩者并聯(lián)的形式，不妨以并聯(lián)為例進(jìn)行分析，如圖4（b）所示，其中LL為負(fù)載電感。負(fù)載電流、負(fù)載電阻電流、負(fù)載電感電流和交流濾波電感電流滿足：

同理，帶容性負(fù)載如圖4（c）所示，其中CL為負(fù)載電容，負(fù)載電流、負(fù)載電阻電流、負(fù)載電容電流和交流濾波電感電流滿足：

各電流以及輸出電壓的矢量關(guān)系如圖5（a）和圖5（b）所示，在負(fù)載電流io相同的情況下，帶感性負(fù)載時(shí)交流濾波電感電流iLac有效值小于負(fù)載電流io有效值，而帶容性負(fù)載時(shí)，iLac有效值大于io有效值。因此當(dāng)負(fù)載電流相同時(shí)，感性負(fù)載的輸入電容電壓脈動(dòng)小于阻性負(fù)載，容性負(fù)載的輸入電容電壓脈動(dòng)大于阻性負(fù)載。

1．3 輸出短路

航空靜止變流器要求有輸出短路的能力，在出現(xiàn)短路故障時(shí)輸出電流為額定電流3倍，并在5s內(nèi)不損壞。發(fā)生短路時(shí)，逆變器控制電路中電壓環(huán)飽和，交流濾波電感的電流iLac不再是圖3中類似正弦波的波形，而是如圖6中iLac＿short所示的波形。

同前文分析類似，可以將一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的iLac近似為其在該周期內(nèi)的平均值，并將圖6中所示波形近似為圖7的梯形波，其中To＝2．5ms，為一個(gè)輸出周期。上升段和下降段對(duì)應(yīng)電壓環(huán)正負(fù)飽和切換的過(guò)程，切換所需時(shí)間由電壓環(huán)比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器參數(shù)決定。

根據(jù)圖7，正半周第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的交流濾波電感電流iLac＿short（n）可表示為

式中：

將電容電壓VCin1的脈動(dòng)分3段計(jì)算：

根據(jù)式（19）～式（21）得到在整個(gè)正半周內(nèi)的Cin1上電壓變化量為

所以，短路情況下輸入電容電壓的脈動(dòng)量為

2 兩級(jí)式雙Buck半橋逆變器

兩級(jí)式雙Buck半橋逆變器采用圖8所示的結(jié)構(gòu)，后級(jí)為交流電感分立的雙Buck半橋逆變器，前級(jí)兩個(gè)DC／DC變換器分別為后級(jí)提供正負(fù)180V 的母線電壓，Cbus1、Cbus2為母線電容，Vbus1、Vbus2分別為Cbus1、Cbus2上的電壓。

以 DC／DC變換器I、Cbus1和逆變器的正180V輸入端為例進(jìn)行分析。假設(shè)電壓Vbus1和Vbus2的脈動(dòng)量相比其直流分量可以忽略，后級(jí)逆變器一個(gè)輸出周期中的第n個(gè)開關(guān)周期的占空比為

式中：Vomax為輸出電壓幅值；φ0為輸出電壓和交流電感電流的相位差。

結(jié)合式（1）可得后級(jí)正180V輸入端的輸入電流iiS在第n個(gè)開關(guān)周期內(nèi)平均值為

式（25）表示的iiS（n）為離散量，為便于分析計(jì)算將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)量，即

由式（26）可知，后級(jí)正輸入端的輸入電流iiS（t）可以等效為3個(gè)電流源的疊加，分別為直流源IiS0、與輸出頻率相同的交流源iiS1（t）以及2倍于輸出頻率的交流源iiS2（t），即

前級(jí)DC／DC變換器采用的拓?fù)洳槐M相同，但一般都可以進(jìn)行戴維南等效，等效為一個(gè)電壓源VoF和一個(gè)內(nèi)阻ZoF串聯(lián)的形式。

由此得到圖9所示的兩級(jí)式雙Buck半橋逆變器等效模型。根據(jù)等效模型，母線電壓Vbus1的脈動(dòng)由iiS1（t）和iiS2（t）產(chǎn)生，故根據(jù)疊加定理，分別求得iiS1（t）和iiS2（t）單獨(dú)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的母線電容電壓 Δvbus1＿1（t）、Δvbus1＿2（t），兩者相加即得到vbus1的電壓脈動(dòng)Δvbus1（t）。

對(duì)iiS1（t）和iiS2（t）進(jìn)行拉氏變換，根據(jù)圖9有

式（28）～式（29）經(jīng)拉氏反變換可得

母線電容Cbus1上的電壓脈動(dòng)為

令式（32）對(duì)t的一階導(dǎo)數(shù)為0，求得Δvbus1（t）的極大值和極小值，兩者之差即為母線電容Cbus1電壓脈動(dòng)值的大小。

電容Cbus2的電壓脈動(dòng)情況與Cbus1類似，僅相位相差180°，這里不再贅述。

3 輸入電容容值的選取

航空靜止變流器中需要逆變器輸入側(cè)電容容值盡可能小，以減小整體的體積、重量，而根據(jù)前文的分析，電容容值減小將導(dǎo)致電壓低頻脈動(dòng)增大。若該脈動(dòng)量過(guò)大，有可能導(dǎo)致電容電壓瞬時(shí)最小值小于逆變器原本輸出電壓的峰值，使輸出波形削頂畸變；同時(shí)，電容電壓最大值增加將導(dǎo)致器件承受的電壓應(yīng)力增大，不利于器件的選型。因此，逆變器輸入側(cè)電容取值時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

1）對(duì)于單級(jí)雙Buck半橋逆變器，在不同大小和不同特性負(fù)載的情況下，根據(jù)圖5和式（10）～式（14）可知雙Buck逆變器交流電感電流最大時(shí)的負(fù)載情況，對(duì)應(yīng)的有效值為ILac＿rms（max）。

此時(shí)輸入電容電壓最小值應(yīng)大于輸出電壓峰值，以保證輸出電壓不削頂，即

同時(shí)，電容電壓最大值應(yīng)不超過(guò)電容本身的耐壓VR，即

代入式（9），有

2）對(duì)于兩級(jí)式雙Buck半橋逆變器，同樣應(yīng)保證母線電容電壓最小值大于輸出電壓峰值，且最大值不超過(guò)電容耐壓，即

結(jié)合式（32）得到能滿足式（36）的母線電容最小值Cbusmin1、Cbusmin2，母線電容取值應(yīng)為

3）在輸出側(cè)短路情況下，輸出電壓為零，不需要考慮雙Buck逆變器輸入電容電壓的最小值，但應(yīng)保證其最大值不超過(guò)電容耐壓，即

代入式（22）～式（23），有

結(jié)合式（35）～式（39）可知雙Buck半橋逆變器輸入電容取值的最小值，再綜合實(shí)際電路中其他考慮因素優(yōu)化選取，最終確定電容的取值。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4．1 仿真結(jié)果與對(duì)比

在Saber仿真軟件中搭建圖1所示的雙Buck半橋逆變器電路，輸出電壓有效值115V，輸出電流有效值17．4A，輸出頻率400Hz，開關(guān)頻率80kHz，輸入電容容值Cin1＝Cin2＝120μF，阻性額定負(fù)載工作時(shí)仿真波形如圖10所示。

表1、表2和表3分別給出了在Cin＝120μF時(shí)不同負(fù)載下、額定負(fù)載時(shí)Cin取不同容值下以及Cin＝330μF時(shí)阻性、功率因數(shù)0．7的感性負(fù)載和功率因數(shù)－0．8的容性負(fù)載下，電容電壓脈動(dòng)仿真結(jié)果與根據(jù)式（9）得到的理論值的對(duì)比。

負(fù)載短路時(shí)的仿真波形如圖11所示，此時(shí)輸出電壓為零，交流濾波電感電流最大值為50．3A。輸入電容容值取Cin1＝Cin2＝120μF。

表4給出了負(fù)載短路情況下，輸入電容取不同容值時(shí)，輸入電容電壓脈動(dòng)的仿真結(jié)果和根據(jù)

表1 不同負(fù)載下輸入電容電壓脈動(dòng)量（Cin＝120μF）Table 1 Voltage ripple of input capacitors with different loads（Cin＝120μF）

表2 不同容值下的電容電壓脈動(dòng)量（阻性額定負(fù)載）Table 2 Voltage ripple of input capacitors with different values of capacitors（At nominal resistive load）

表3 不同特性負(fù)載下的電容電壓脈動(dòng)量（Cin＝330μF，額定負(fù)載）Table 3 Voltage ripple of input capacitors with different loads（Cin＝330μF，nominal load）

表4 不同容值下的電容電壓脈動(dòng)量（短路）Table 4 Voltage ripple of input capacitors with different values of capacitors（shorted load）

式（22）計(jì)算得到理論值的對(duì)比，計(jì)算時(shí)取T1＝T3＝100μs，T2＝1 050μs。

在Saber仿真軟件中搭建兩級(jí)式雙Buck半橋逆變器電路，前級(jí)采用兩路LLC諧振變換器，輸入電壓270V，母線電壓為正負(fù)180V，后級(jí)輸出電壓有效值115V，輸出電流有效值17．39A，輸出頻率400Hz，額定負(fù)載仿真波形如圖12所示。取前級(jí)的等效輸出阻抗ZoF＝0．4Ω，相位差φ0近似為0°。表5給出了額定負(fù)載下，Cbus取不同容值時(shí)，輸入電容電壓脈動(dòng)的仿真結(jié)果與式（32）得到的理論值的對(duì)比。

表5 不同容值下的電容電壓脈動(dòng)量（額定負(fù)載）Table 5 Voltage ripple of input capacitors with different values of capacitors（at nominal load）

4．2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于前述分析，分別在2kVA單級(jí)的交流電感分立的雙Buck逆變器樣機(jī)和兩級(jí)式逆變器樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。單級(jí)逆變器的輸入電容和兩級(jí)式逆變器的母線電容容值為1 233μF，其他參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

圖13為阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)波形，vCin2為輸入電容Cin2上電壓的交流分量，Cin2上電壓的脈動(dòng)隨iLac的增大而增大，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在30%負(fù)載和80%負(fù)載時(shí)脈動(dòng)的峰峰值分別為2．75V和7．23V。

圖14為短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，短路電流最大值為50．1A，此時(shí)輸出電壓為零，由于電壓環(huán)的飽和，電感電流iLac呈近似梯形波，輸入電容電壓的交流分量呈近似三角波。實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸入電容電壓的脈動(dòng)為19．9V。

圖15為兩級(jí)式雙Buck逆變器的實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)測(cè)得Vbus1、Vbus2的脈動(dòng)量分別為6．2V和7．6V。

綜上，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析以及仿真結(jié)果基本一致，證明了前文分析過(guò)程的正確性。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)交流電感分立的雙Buck半橋逆變器，對(duì)輸入電容電壓脈動(dòng)的問題進(jìn)行了分析，通過(guò)分析可知：

1）雙Buck半橋逆變器輸入電容電壓脈動(dòng)的大小與交流電感電流以及電容容值有關(guān)，交流電感電流越大、容值越小，則脈動(dòng)越大。

2）根據(jù)對(duì)雙Buck半橋逆變器的模態(tài)分析，可知輸入電容在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的充放電情況，進(jìn)而可得其在整個(gè)輸出周期內(nèi)的脈動(dòng)情況。

3）不同負(fù)載狀態(tài)下，交流電感電流不同，在全負(fù)載范圍內(nèi)應(yīng)使輸入電容電壓的瞬時(shí)最小值大于輸出電壓的峰值，以保證輸出電壓不畸變；同時(shí)，輸入電容電壓瞬時(shí)值最大時(shí)應(yīng)保證器件的電壓應(yīng)力不超過(guò)其耐壓；以此得到輸入電容容值最小值，作為其容值的選擇依據(jù)之一。

4）輸入電容電壓低頻脈動(dòng)是半橋類逆變器的普遍問題，本文分析方法同樣適用于其他半橋類逆變器。

［1］ GJB3279A－2011．飛機(jī)靜止變流器通用規(guī)范［S］．北京：中華人民共和國(guó)解放軍總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2011．GJB3279A－2011．General specification for static inverter of aircraft［S］．Beijing： Military Standard Publishing House of People’s Liberation Army General Armaments Department，2011．

［2］ 張方華，龔春英．高效率模塊化航空靜止變流器的研制［J］．航空學(xué)報(bào)，2009，30（6）：1119－1125．ZHANG F H，GONG C Y．High efficiency modular aeronautic static inverter［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30（6）：1119－1125（in Chinese）．

［3］ LIU J，YAN Y G．A novel hysteresis current controlled dual buck half bridge inverter［C］／IEEE 34th Annual Power Electronics Specialist Conference．Piscataway，NJ：IEEE Press，2003：1615－1620．

［4］ 吳婷，肖嵐，姚志壘．雙降壓式全橋逆變器［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（15）：22－27．WU T，XIAO L，YAO Z L．Dual buck full bridge inverter［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29（15）：22－27（in Chinese）．

［5］ 洪峰，單任仲，王慧貞，等．三電平雙降壓式全橋逆變器［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（12）：55－59．HONG F，SHAN R Z，WANG H Z，et al．Three－level dual buck full bridge inverter［J］．Proceedings of the CSEE，2008，28（12）：55－59（in Chinese）．

［6］ YAO Z L，XIAO L，YAN Y G．Dual－buck full－bridge inverter with hysteresis current control［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）：3153－3160．

［7］ YAO Z L，XIAO L，GONG C Y．Half－bridge－type inverter with hysteresis current control and unipolar modulation［C］／5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications （ICIEA）．Piscataway，NJ：IEEE Press，2010：1113－1117．

［8］ HONG F，WANG C H，JI D Y，et al．Three level dual buck half bridge inverter［C］／International Conference on Sustainable Power Generation and Supply．Nanjing：Power Network Technology Press，2009：1－5．

［9］ 王萬(wàn)寶，張犁，胡海兵，等．單相半橋三電平并網(wǎng)逆變器中點(diǎn)電壓不平衡機(jī)理及其均壓控制策略［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（6）：839－845．WANG W B，ZHANG L，HU H B，et al．Research on mechanism of single－phase three－level half－bridge grid－tied inverter voltage unbalance of input capacitors and voltage balance control strategy［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34（6）：839－845（in Chinese）．

［10］ 陳東華，謝少軍．電流型控制半橋逆變器研究（I）直流分壓電容不均壓?jiǎn)栴}［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（4）：85－88．CHEN D H，XIE S J．Research on current－mode control half－bridge inverter（I）－voltage unbalance of input capacitors［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19（4）：85－88（in Chinese）．

［11］ 楊水濤，張帆，劉金云，等．一種新型半橋逆變器電容均壓控制策略［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（7）：31－36．YANG S T，ZHANG F，LIU J Y，et al．A novel voltage balance control strategy of half－bridge inverter［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2006，21（7）：31－36（in Chinese）．

［12］ TSAI M T，WANG C F，YU Z H．Single－phase halfbridge rectifier with a novel dc bus balance controller［C］／The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society （IECON）．Piscataway，NJ：IEEE Press，2007：1956－1961．

［13］ KUMAR A，GUPTA R．Capacitors voltage balancing in half bridge inverter for low switching frequency applications［C］／International Conference on Power Electronics，Drives and Energy Systems（PEDES）．Piscataway，NJ：IEEE Press，2010：1－7．

［14］ 張先進(jìn)，龔春英．三電平半橋電壓平衡器［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（8）：114－119．ZHANG X J，GONG C Y．Three－level half bridge voltage balancers［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（8）：114－119（in Chinese）．

［15］ HYUN D Y，LIM C S，KIM R Y，et al．Modeling and control of two－stage inverter for battery energy storage system［C］／9th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC）．Piscaaway，NJ：IEEE Press，2013．

［16］ 陳仲，汪昌友，陳淼．航空靜止變流器的輸入紋波電流特性研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（27）：154－161．CHEN Z，WANG C Y，CHEN M．Analysis on input ripple current characteristics of aviation static inverters［J］．Proceedings of the CSEE，2012，32（27）：154－161（in Chinese）．

［17］ 張力，阮新波，任小永．兩級(jí)式逆變器中前級(jí)直流變換器的控制方法［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（3）：660－670．ZHANG L，RUAN X B，REN X Y．Control schemes for the front－end dc－dc converter in the two－stage inverter［J］．Proceedings of the CSEE，2015，35（3）：660－670（in Chi－nese）．

［18］ 王建華，盧旭倩，張方華，等．兩級(jí)式單相逆變器輸入電流低頻紋波分析及抑制［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（6）：10－16．WANG J H，LU X Q，ZHANG F H，et al．Low frequency input current ripple analysis and reduction in a single phase inverter with two－stage structure［J］．Proceedings of the CSEE，2012，32（6）：10－16（in Chinese）．

［19］ 謝江華，張方華，王旭東．三電感雙Buck逆變器［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（21）：3413－3422．XIE J H，ZHANG F H，WANG X D．A three－inductor dual－buck inverter［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34（21）：3413－3422（in Chinese）．

［20］ XIE J H，ZHANG F H，REN R，et al．A novel high power density dual－buck inverter with coupled filter inductors［C］／40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society （IECON）．Piscataway，NJ：IEEE Press，2014：1111－1117．

Analysis of voltage ripple on input capacitors in dual－buck half bridge inverters

MENG Wuji，ZHANG Fanghua＊，XIE Jianghua，WANG Jinlong
Centre for More－Electric－Aircraft Power System，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China

Dual－buck inverter（DBI）is one of the widely adopted topologies in aeronautical static inverters（ASIs）．With discrete AC filter inductor，the volume and weight of dual buck－h(huán)alf bridge inverters（DBHBIs）are further reduced．However，there will be voltage ripple on input capacitors when a dual－buck half bridge inverter is normally operated，especially when the load is shorted，and the ripple is at the same frequency as the output voltage．In this paper，a DBHBI with discrete AC filter inductor is taken as an example，which operates on the conditions of nominal load，short circuit and cascade．The cause for voltage ripple on input capacitors is analyzed，and the mathematical calculation method and the guidelines for capacitor design is proposed．The analysis is verified by the results of simulations and experiments．The method in this paper can be also applied to other half bridge inverters．

dual－buck inverter；aeronautical static inverter；half bridge；capacitor voltage ripple；short circuit；two－stage

2016－01－13；Revised：2016－05－20；Accepted：2016－06－20；Published online：2016－06－30 13：36

URL：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160630．1336．004．html

s：National Natural Science Foundation of China（51377079）；Jiangsu Qinglan Project

V242．2；TM464

A

1000－6893（2017）01－320054－10

http：／hkxb．buaa．edu．cn hkxb＠buaa．edu．cn

10．7527／S1000－6893．2016．0199

2016－01－13；退修日期：2016－05－20；錄用日期：2016－06－20；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016－06－30 13：36

www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160630．1336．004．html

國(guó)家自然科學(xué)基金 （51377079）；江蘇省“青藍(lán)工程”

＊通訊作者 ．E－mail：zhangfh＠nuaa．edu．cn

孟無(wú)忌，張方華，謝江華，等．雙Buck半橋逆變器輸入電容電壓脈動(dòng)的分析［J］．航空學(xué)報(bào)，2017，38（1）：320054．MENG W J，ZHANG F H，XIE J H，et al．Analysis of voltage ripple on input capacitors in dual－buck half bridge inverters［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2017，38（1）：320054．

（責(zé)任編輯：蘇磊）

＊Corresponding author．E－mail：zhangfh＠nuaa．edu．cn