單級(jí)Cuk 集成式升壓逆變器的電路拓?fù)溲芯?/h1>

2021-10-10 02:02:26李文華暴二平劉幗巾

電源學(xué)報(bào)訂閱 2021年5期 收藏

關(guān)鍵詞：集成式電感電容

張 賀，李文華，暴二平，劉幗巾

（1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；3.中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071）

逆變器是電力電子領(lǐng)域的一種重要功率變換裝置，在各種工業(yè)領(lǐng)域中，如新能源發(fā)電系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、不間斷電源、靜態(tài)頻率變化和變速驅(qū)動(dòng)等[1-2]廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的逆變器只能降壓逆變，即其輸出側(cè)電壓不能高于輸入側(cè)直流電壓，所以在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿(mǎn)足低輸入電壓的逆變場(chǎng)合，要提高逆變器的升壓能力。

目前，非隔離型逆變器可以通過(guò)2 種方法實(shí)現(xiàn)升壓逆變。第1 種方法是通過(guò)在直流電源側(cè)級(jí)聯(lián)一級(jí)DC-DC 變換電路，抬高電壓等級(jí)，再通過(guò)逆變器以構(gòu)成兩級(jí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，兩級(jí)電路的變換級(jí)數(shù)多，使電路系統(tǒng)復(fù)雜，且成本高，效率較低；第2 種方法是采用單級(jí)升壓逆變器，通過(guò)在輸入電源側(cè)與逆變橋之間加入無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)，使逆變器可工作于升降壓模式。比如Z 源逆變器[4-6]可運(yùn)用于需要升壓的場(chǎng)合，但要引入直通占空比來(lái)完成升壓，而占空比受逆變器調(diào)制因子的限制，升壓能力受限，且中間開(kāi)關(guān)管直通狀態(tài)下功率損耗嚴(yán)重。一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出不同形式的無(wú)源阻抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高逆變器的升壓增益[7]，但所提結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，且功率器件眾多，系統(tǒng)集成度較差。單級(jí)升壓逆變器可以通過(guò)傳統(tǒng)逆變器與變換器集成構(gòu)造集成式升壓逆變器，其拓?fù)錅p少了元器件數(shù)量，降低了電路成本，并提高了系統(tǒng)集成度[8]。

國(guó)內(nèi)外在構(gòu)造集成式升壓逆變器方面已經(jīng)取得了一些成果。文獻(xiàn)[9]提出了一種雙Cuk 型逆變器拓?fù)?，該逆變器具有升壓功能，適用于寬范圍變化輸入的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，但在直流電源側(cè)需要雙電源供電，且所用無(wú)源器件較多，增加了系統(tǒng)體積的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的壽命和可靠性；文獻(xiàn)[10]采用諧振機(jī)理構(gòu)成升壓逆變器拓?fù)?，?shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)啟，但是電網(wǎng)電壓正、負(fù)半周的不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行給其控制帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)[11]；文獻(xiàn)[12]將Boost變換器和全橋逆變器集成構(gòu)成升壓逆變器拓?fù)?，其電路設(shè)置單個(gè)升壓電感與電容，雖然幾乎消除了零交叉失真問(wèn)題，但在高頻工作時(shí)每個(gè)支路中2 個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)序互補(bǔ)，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，且所有開(kāi)關(guān)管在整個(gè)周期內(nèi)的高頻調(diào)制伴隨著較高的開(kāi)關(guān)損耗。

本文提出了一種單級(jí)Cuk 集成式升壓逆變器的電路拓?fù)?。該逆變器采用單電源供電，增加了系統(tǒng)的可靠性，且電路中的無(wú)源器件數(shù)目較少，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，控制方法簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)管僅在半個(gè)周期內(nèi)工作，開(kāi)關(guān)損耗低，具有體積小和系統(tǒng)集成度高的特點(diǎn)，適用于低輸入電壓的逆變場(chǎng)合。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)及調(diào)制方式

本文提出的單級(jí)Cuk 集成式升壓逆變器電路拓?fù)淙鐖D1 所示，其中，Vin為直流電壓源，L1為直流側(cè)儲(chǔ)能電感，C1、C2為中間電容，R 為負(fù)載電阻，Cf為濾波電容，Lf為濾波電感，Vo為輸出電壓。由圖1可見(jiàn)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，Vin和L1構(gòu)成升壓網(wǎng)絡(luò)，對(duì)2 個(gè)中間電容進(jìn)行充電使其儲(chǔ)能，電容儲(chǔ)能后為負(fù)載傳遞能量，傳遞能量的過(guò)程中采用4 個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)序變化實(shí)現(xiàn)升壓逆變的功能。

圖1 主電路拓?fù)銯ig.1 Topology of main circuit

本文所提電路結(jié)構(gòu)采用單極性正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation），表1 為電路開(kāi)關(guān)管在1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)時(shí)序狀態(tài)，其中，S1和S2開(kāi)通狀態(tài)一致，僅在負(fù)半周期內(nèi)做高頻調(diào)制；S4和S5的開(kāi)通狀態(tài)一致，僅在正半周期內(nèi)做高頻調(diào)制；S3和S6工作在工頻周期。

表1 開(kāi)關(guān)時(shí)序Tab.1 Time sequences of switches

圖2 為正弦調(diào)制波正半周期內(nèi)的主要工作波形，其中，ugS3為開(kāi)關(guān)管S3的控制信號(hào)，ugS4為開(kāi)關(guān)管S4的控制信號(hào)，ugS5為開(kāi)關(guān)管S5的控制信號(hào)，iL1為 流過(guò)輸入電感的電流，iLf為流過(guò)濾波電感的電流，uC2為電容C2兩端電壓。

結(jié)合表1 和圖2 來(lái)分析單級(jí)Cuk 集成式逆變器的具體工作模式。

圖2 正弦調(diào)制波正半周期內(nèi)的主要工作波形Fig.2 Main operation waveforms in positive half-cycle of sine modulation wave

1.2 電路工作模式分析

為便于分析，假設(shè)逆變器已工作在穩(wěn)定狀態(tài)，且所有功率開(kāi)關(guān)管、電感和電容均為理想元件?；谏鲜黾僭O(shè)，在1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，把電路拓?fù)浞譃? 種工作模式，圖3 為每種工作模式對(duì)應(yīng)的等效電路。

圖3 電路工作模式Fig.3 Operation modes of circuit

1.2.1 正弦調(diào)制波正半周期

當(dāng)電路工作在正弦調(diào)制波正半周期時(shí)，存在2種工作模式。

工作模式1 如圖3（a）所示。在此工作模式下，開(kāi)關(guān)管S3、S4、S5導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S1、S2、S6關(guān)斷。電源Vin-L1-S4組成閉合回路，Vin給輸入電感L1充電，L1儲(chǔ)能，電感電流iL1線性上升；C2-S4-S3-Lf-負(fù)載-S5組成閉合回路，D2由于承受反壓截止，流經(jīng)電感Lf的電流iLf線性上升。在這個(gè)階段，有

式中：uC1為中間電容C1兩端電壓；Vo為輸出電壓。設(shè)逆變器工作時(shí)的開(kāi)關(guān)周期為T(mén)n，開(kāi)關(guān)管S4開(kāi)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值為占空比d，且占空比可變，下同。

工作模式2 如圖3（b）所示。在此工作模式下，開(kāi)關(guān)管S1、S2、S4、S5、S6關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S3導(dǎo)通，DS6續(xù)流導(dǎo)通。Vin-L1-C2-D2組成閉合回路，Vin與L1對(duì)電容C2充電，輸入電感L1的電流iL1線性下降；Lf-負(fù)載-DS6-S3組成閉合回路，流經(jīng)電感Lf的電流iLf也線性下降。在這個(gè)階段，有

式中，uC2為中間電容C2的電壓。

1.2.2 正弦調(diào)制波負(fù)半周期

當(dāng)電路工作在正弦調(diào)制波負(fù)半周期時(shí)，存在2種工作模式，此狀態(tài)與電路在正弦調(diào)制波正半周期工作時(shí)的狀態(tài)相同，只是電容充、放電路徑發(fā)生了改變，公式不再贅述。

工作模式3 如圖3（c）所示.在此工作模式下，開(kāi)關(guān)管S1、S2、S6導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S3、S4、S5關(guān)斷。Vin-L1-S1組成閉合回路，Vin給輸入電感L1充電，L1儲(chǔ)能，電感電流iL1線性上升；電容C1-S1-S6-負(fù)載-Lf-S2組成閉合回路，D1由于承受反壓截止，流經(jīng)電感Lf的電流iLf線性上升。

工作模式4 如圖3（d）所示.在此工作模式下，開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S6導(dǎo)通，DS3續(xù)流導(dǎo)通。Vin-L1-C1-D1組成閉合回路，Vin與L1對(duì)電容C1充電，輸入電感L1的電流iL1線性下降；DS3-S6-負(fù)載-Lf組成閉合回路，流經(jīng)電感Lf的電流iLf線性下降。

另外，在工作模式2 中，當(dāng)Vin與L1給C2充電時(shí)，同時(shí)也會(huì)通過(guò)D1給C1充電。同理，在模式4 中，Vin與L1也是同時(shí)通過(guò)D1與D2分別給C1與C2充電?？紤]到以上回路在中間電容充電時(shí)間內(nèi)，提供給C1和C2足夠的電壓，并沒(méi)有影響逆變器的升壓逆變功能，有利于整體電路的正常運(yùn)行。

2 升壓網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 臨界電感分析

由2 個(gè)Cuk 變換電路集成的逆變器，在正弦調(diào)制波正、負(fù)半周都需要獨(dú)立工作且輸出半個(gè)正弦波，故電路輸入電感電流會(huì)在斷續(xù)狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)中切換工作。以正弦調(diào)制波正半周期的工作模式為例，假設(shè)逆變器已工作在穩(wěn)定狀態(tài)且中間電容電壓保持不變，所有功率器件均為理想元件。圖4 為1個(gè)開(kāi)關(guān)周期Tn內(nèi)，L1工作于斷續(xù)狀態(tài)和Lf工作于連續(xù)狀態(tài)的電流iL1和iLf波形，其中，開(kāi)關(guān)管S4在（0～d）Tn內(nèi)開(kāi)通，開(kāi)通期間2 個(gè)電感同時(shí)充電，直到開(kāi)關(guān)管S4關(guān)斷，2 個(gè)電感電流達(dá)到最大值后開(kāi)始下降。在（d～d1）Tn這段時(shí)間內(nèi)，電感L1電流由最大值降為0；在（d～d2）Tn這段時(shí)間內(nèi)，電感Lf電流由最大值降為0。

圖4 iL1和iLf波形Fig.4 Waveforms of iL1 and iLf

等效電路在1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分為0，由式（1）～式（4）可得

由式（5）和式（6）可得輸入、輸出電壓關(guān)系為

1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期Tn內(nèi)，電感電流平均值為

當(dāng)電感L1和Lf的電流臨界連續(xù)時(shí)，充電與放電時(shí)間正好為1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期，則有

由能量守恒定律得

由電感Lf電流iLf連續(xù)得

則L1和Lf的臨界電感分別為

由上述分析可知，電感L1工作于連續(xù)與斷續(xù)兩種狀態(tài)，故設(shè)計(jì)電路時(shí)輸入電感取值可以比其臨界電感稍小，電感Lf則需要工作在連續(xù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)電路時(shí)對(duì)濾波電感的取值要大于其臨界電感。

2.2 電容參數(shù)分析

當(dāng)逆變器在1 個(gè)開(kāi)關(guān)周期Tn內(nèi)工作時(shí)，中間電容C1和C2周期性充放電，其電壓在工作模式2與工作模式4 時(shí)達(dá)到最大值，在工作模式1 與工作模式3 時(shí)會(huì)降到最小值，即出現(xiàn)電壓紋波。

電容電壓紋波和電流的關(guān)系可以表示為

當(dāng)逆變器處于工作模式1 與工作模式3 時(shí)有

設(shè)電容電壓紋波系數(shù)為rC，則電容電壓紋波為

再由式（5）和式（6）可得，電容C1和C2的臨界參數(shù)為

由上述對(duì)電路工作模式的分析可知，電路在正弦調(diào)制波正半周期與負(fù)半周期的工作模式相同，只是電容充、放電路徑發(fā)生了改變，故中間電容C1與C2取值相同，以保證正、負(fù)半周對(duì)稱(chēng)的穩(wěn)定輸出。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真研究

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，在電路仿真軟件下搭建了系統(tǒng)模型，對(duì)提出的單級(jí)Cuk 集成式升壓逆變器進(jìn)行了仿真分析。仿真參數(shù)如下：L1=0.2 mH、Lf=40 mH、C1=470 μF、C2=470 μF、Cf=50 μF，輸入電壓為DC 30 V，調(diào)制比M=0.6。集成式逆變器的仿真波形如圖5 所示。

圖5 集成式逆變器的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of integrated inverter

根據(jù)仿真結(jié)果可知，橋臂輸出電位差uab與中間電容電壓相等，說(shuō)明在開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷期間，C1充電儲(chǔ)能；在S1導(dǎo)通期間，C1向負(fù)載釋放能量，因此電容C1起到能量傳遞的作用。由圖5（a）可見(jiàn)，電容C1在充、放電時(shí)的電壓波動(dòng)與其平均值的比值是很小的，故可以認(rèn)為uC1是恒定電壓。由圖5（e）可見(jiàn)，當(dāng)輸入電壓波擾動(dòng)時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷涸陔娐愤M(jìn)入穩(wěn)態(tài)后不能突變，使得輸出波形基本沒(méi)有受到影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電路工作原理的正確性。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

按照設(shè)計(jì)的樣機(jī)參數(shù)，構(gòu)造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：L1=0.2 mH、Lf=40 mH、C1=470 μF、C2=470 μF、濾波電容為50 μF，輸入電壓為DC 30 V，調(diào)制比M=0.6，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。以PIC 單片機(jī)作為控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。圖6（a）為電容C1實(shí)驗(yàn)電壓波形，可見(jiàn)電容電壓uC1約為161 V；圖6（b）為橋臂輸出電位差uab實(shí)驗(yàn)波形，由圖可見(jiàn)輸出電壓約為161 V 左右，與電容電壓uC1相等；圖6（c）為橋臂輸出電位差uab局部放大實(shí)驗(yàn)波形；圖6（d）為負(fù)載上的輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形；圖6（e）為L(zhǎng)1的電流局部放大波形，電流存在斷續(xù)與連續(xù)兩種狀態(tài)，與理論分析一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了原理的正確性，說(shuō)明該逆變器具有升壓功能。

圖6 集成式逆變器實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Test waveforms of integrated inverter

4 結(jié)論

（1）本文提出的單級(jí)Cuk 集成式升壓逆變器新拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)單級(jí)升壓逆變，且無(wú)源器件少，電路結(jié)構(gòu)緊湊對(duì)稱(chēng)，具有升壓能力強(qiáng)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）該逆變器采用可變占空比和改變電容放電路徑實(shí)現(xiàn)升壓逆變，輸出電壓的幅值可以調(diào)節(jié)。

（3）該逆變器的中間電容兩端電壓在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后不能突變，因此對(duì)輸入側(cè)電壓擾動(dòng)具有抑制作用。

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