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1、摘要：介绍了采用BoostPWMDC/DC变换器的正弦波逆变器的工作原理与控制方式，这是一种新型的正弦波逆变器。 关键词：升压；DC/DC变换器；正弦波逆变器1 引言 传统的电压型逆变器只能降压，不能升压。要升压就必须采用升压变压器，或在直流电源与逆变器之间串入Boost DC/DC变换器。这对于应用于UPS及通信振铃电源的低频逆变器来说，将会使电源的体积重量大大增加。而采用新型的BoostPWMDC/DC变换器组成的逆变器，将会很简单地实现升压逆变。如果在一个周期内不断地按着正弦规律改变载波周期内的占空比D，就可以输出电压成为正弦波。 2 Boost变换器的升压特性 BoostPWMDC/D
2、C变换器具有优越的无级升压变压功能，因此，可以把它直接应用于需要升压变压的高开关频率PWM电压型逆变器中。 Boost变换器电路如图1（a）所示。假定开关S的开关周期为T，开通时间为ton=DT，关断时间为toff=(1D)T,而D=ton/T=01为开通占空比，(1D)=ton/T为关断占空比。Boost变换器有两个工作过程。 1）储能过程在S开通期间ton为电感L的储能过程，其等效电路如图1（b）所示。S开通，输入电路被S短路，输入电流i1使电感L储能，加在L上的电压为电源电压US，电压方向与电流方向相同。由电磁感应定律得 在ton期间，L中的电流增量为 I1on= 2)放能过程在S关断期
3、间toff，为电感L的放能过程，其等效电路如图1（c）所示。S关断，D导通，电源与输出电路接通，电感L放能，加在L的电压为输出电压Uo与电源电压US之差（UoUS）,电压方向与电流i2的方向相反。由电磁感应定律得 在toff期间，L中的电流减小量为 I2off= 电路稳定后，I1on=|I2off| 所以DT=(1D)T；US=(1D)Uo 故输出输入电压变比 （1） Boost变换器的工作波形如图1（d）所示，可以看出：输入电流i1是连续的，输出电流i2是断续的。i1连续是因为输入电路有L的存在。 作出M=f(D)的关系曲线如图1（e）所示。由于D=01,所以,说明Boost变换器只能升压，
4、不能降压。 (a)原理电路 （b）储能等效电路 (c)放能等效电路 （d） 波形图 (e)M=f(D)曲线 图1 Boost变换器电路的工作波形及M=f(D)曲线 3 Boost逆变器的构成 对于UPS或交流电动机驱动用的逆变器，要求它必须能够双向四象限工作，所以，应将Boost DC/DC变换器改进成双向变换器。所谓双向变换器，就是功率既可以从输入端流向输出端，也可以从输出端流向输入端。为此，必须要解决电流反向流通的问题。最简单的解决办法是在原电路的三极管上反并联一只二极管，在原电路的二极管上反并联一只三极管，三极管和二极管共同组成两个反向导通的开关S和S。S和S按互补方式工作。这样，不仅保
5、证了正反向电流的流通，而且也不使等效电路的工作过程发生变化。改进后的电路如图2（a）所示，图2（b）为双向Boost变换器的M=f(D)曲线。当功率由US输送到Uo时，变换器工作在Boost状态，。当功率由Uo输送到US时，变换器工作在Buck状态，M=1D。 所谓S与S互补工作，即在DT期间S开通，S关断，在（1D）T期间S开通，S关断。 根据变换器变比的定义，当US为电源Uo为负载时，变比M=称为正向变比。当Uo为电源US为负载时，变比M=称为反向变比。两者之间的关系为M=。令互补占空比D=1D，则1D=D，因此，Boost变换器的变比M=，M=1D=D。 (a)双向Boost变换器电路
6、(b)M=f(D)曲线 图2 双向Boost变换器的原理电路及其M=f(D)曲线 用图2（a）所示的Boost双向变换器构成的双向四象限Boost逆变器如图3（a）所示，图3（b）为双向四象限Boost逆变器的M=f(D)曲线。Boost逆变器是用两个双向Boost变换器，共用一个电源US，在电源的负极上下对称地并联起来构成的。负载电阻R以输出差动的形式连接电路中。逆变器的4个开关工作在如图3（a）所示的互补方式，由电源US通过上下两个双向变换器向负载R供电。当上面的双向变换器变比为M=f(D)时，下面的双向变换器的变比即为M=f(D)，D=1D。这样，逆变器a点的电压Ua=MUS，b点的电压
7、Ub=MUS，负载R上的电压UL=UaUb=MUSMUS=US(MM)。根据变比的定义，逆变器的变比M=MM。 对于Boost逆变器，M=，M=1/D，所以 M=MM=（2） 作出与D的关系曲线如图3（b）所示。 (a) Boost逆变器电路 (b) M=f(D)曲线 图3 Boost双向四象限逆变器及其M=f(D)曲线 4 Boost逆变器的PWM控制法 Boost逆变器的PWM控制法大约有5种，即SPWM控制法，滑模控制法（Sliding mode control）,电压跟踪控制法，函数控制法（Function control）和离散变量控制法。它们各有特点，适合于不同用途的Boost逆变
8、器。但应用较多的是前三种控制法。 4.1 SPWM控制法 适合于Boost逆变器的SPWM控制法有三种形式，即二阶SPWM控制、三阶SPWM控制，三阶交互式SPWM控制。 4.1.1 二阶SPWM控制 Boost逆变器的二阶SPWM控制电路如图4（a）所示，图4（b）为工作波形图。逆变器的左臂变换器按图3（b）中的曲线工作，变比M=；右臂变换器按图3（b）中的曲线工作，变比M=;逆变器按图3（b）中的曲线工作，变比M=MM=。由图4（b），采样点a和b的方程为 式中：Tc为载波三角波周期； =Uc/U为 调 制 比 ； 0pTc/2； k=1，2，3，N/2； N为 载 波 比 。 （a）原理
9、电路 （b）工作波形图 图4 Boost逆变器的二阶SPWM控制电路 脉冲宽度 占空比 D的值不是随意给定的，只与变比M有关。因此，D的实际应用值只能从图3（b）中的曲线求出。根据已知的US和UL值，算出变比，由M在曲线上查出占空比D的值，逆变器的D工作区间则为（1D）D。 逆变器输出电压uL的傅里叶级数表示为式（3） （3） 4.1.2 三阶SPWM控制法 Boost逆变器的三阶SPWM控制电路如图5（a）所示，图5（b）为工作波形图。为了满足左右臂变换器中两个开关的互补工作，采用了左右臂相位参差调制法。即采用两个相位相反而幅值相同的正弦调制波，与一个载波三角波进行比较，得到两个相位相反的二
10、阶SPWM波去分别控制左右臂变换器，在电容C1和C2上分别得到电压ua和ub，用uaub即可得到电压uL的三阶SPWM输出电压。左臂C1上电压ua由S1和S1产生，右臂C2上电压ub由S2和S2产生，左右两臂变换器工作在互补状态。当左臂的占空比为D时，右臂的占空比则为D=1D。 (a) 原理电路 (b) 工作波形图 图5 Boost逆变器的三阶SPWM控制电路 对于左臂，开关S1和S1互补工作，调制波为u=sin(kTcp)是正相位，采样点a和b的方程式为 占空比 （4） 对于右臂，开关S2和S2互补工作，调制波为u=sin(kTcp)是反相位，采样点a和b的方程式为 占空比 D= （5） 则
11、1D=1=D 这说明左右两臂变换器的占空比满足D=1D，两臂相互之间也工作在互补状态，即左臂变换器按图3（b）中曲线工作；右臂变换器按图3（b）中曲线工作；逆变器按图3（b）中曲线工作。占空比D的值应由M来确定。当已知US和UL的值时，M=UL/US，由图3（b）曲线查出与M对应的占空比D的值。D的工作区间为（1D）D。由图5（b）及文献1可知 （6） 由式（6）和式（3）比较可知，采用三阶SPWM控制法比两阶SPWM控制法，具有更小的谐波含量。 4.1.3 三阶交互式SPWM控制 Boost逆变器的三阶交互式SPWM控制电路如图6（a）所示，图6（b）为工作波形图。这种控制方式的特点是，逆变
12、器的左臂工作在uL的正半周，右臂工作在uL的负半周，左右臂交互工作，即可使逆变器输出一个完整的电压uL波形。uL的傅里叶级数表示式与式（6）相同。占空比D的确定，及D工作区间（1D）D的确定，也与三阶SPWM控制法相同。实际上，三阶交互式SPWM控制法是三阶SPWM控制法的变形。 （a）原理电路 （b）工作波形图 图6 Boost逆变器的三阶交互式SPWM控制电路 4.2 滑模控制法 滑模控制法适合于变结构系统，滑模变结构控制理论产生于上世纪50年代，现在已发展成为一种完备的控制系统设计方法。这种控制法实质上是一种用高频开关控制的状态反馈系统。滑模控制的特点是稳定性好，鲁棒性（Robustne
13、ss）强，动态性能好，实现容易。 滑模控制的原理是利用高速切换的开关控制，把受控的非线性系统的状态轨迹，引向一个预先指定的状态平均空间平面（滑模面）上，随后系统的状态轨迹就限定在这个平面上。滑模控制系统的设计有两个方面：一是寻求滑模面函数，使系统在滑模面上的运动逐渐稳定且品质优良；二是设计变结构控制，使系统可以由相空间的任一点在有限的时间内达到滑模面，并在滑模面上形成滑模控制区。 Boost逆变器的滑模控制系统框图如图7所示，u是逆变器的输出电压；uL为低通滤波器的输出电压（即负载电压）；uL是负载电压uL的一阶导数；ur为基准正弦电压；ur为ur的一阶导数；u是控制变量，u为高电平时，代表u
14、最大，u是为低电平时，代表u最小；K1，KL分别是加权数，即反馈增益；为开关控制律。控制电路由开关控制律形成电路和逻辑判断与触发电路两部分组成。 开关控制律如式（7）所示 =K1(uruL)K2(uruL)0 （7） 图7 Boost逆变器的滑模控制系统框图 当0时，控制量u为高电平，代表u为u最大；当0时，控制量u为低电平，代表u为u最小。 用滑模控制法的Boost逆变器，动态性能好，系统具有降阶性和鲁棒性。滑模控制属于目标控制法，可以预先构造闭环特性，适用于动态性能要求高的Boost逆变器。 4.3 函数控制法 函数控制法的工作原理是：首先用开关函数表示出主电路电子开关的通断作用，得出其等效电路，并找出包含最重要控制信息的主电路动态方程式，写出开关函数与主电路变量之间的函数关系。然后在控制电路中再加入误差放大环节，并满足约束条件，从而导出开关函数与控制电路变量之间的函数关系，即得到系统的函数控制律。对于Boost逆
