陳勛，林瓊斌，2，3

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108;2.浙江大學(xué)電氣工程博士后流動站，浙江 杭州 310000;3.漳州科華電子博士后工作站，福建 漳州 363000)

1 引言

對于逆變器的研究，實現(xiàn)高效率和提高它的開關(guān)頻率是逆變器的重要研究內(nèi)容。在許多情況下，高效率和高開關(guān)頻率是互相矛盾的，很難同時優(yōu)化。傳統(tǒng)橋式逆變器的續(xù)流是通過體二極管來續(xù)流，而體二極管的性能較差，同時反向恢復(fù)時間長，這將導(dǎo)致很大損耗并限制了開關(guān)頻率的提高。而雙BUCK逆變電路的續(xù)流二極管不是開關(guān)管的體二極管，而是單獨的一個二極管，這樣可以使開關(guān)管和二極管分別優(yōu)化設(shè)計。同時雙Buck逆變器拓撲能夠克服傳統(tǒng)橋式逆變器的開關(guān)管直通問題［1］。

本文基于雙Buck逆變器拓撲，對其數(shù)字化控制方式進行研究。與模擬控制不同的是，數(shù)字控制具有硬件電路簡單，抗干擾能力強，升級換代容易等優(yōu)點，同時數(shù)字控制技術(shù)也是電源技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。通常的雙Buck逆變器控制算法有基本PID控制、滯環(huán)電流控制、斜坡比較控制等。其中基本PID控制以其控制簡單、參數(shù)容易整定等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，但是單純的PID控制對于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)會難以勝任，所以經(jīng)常和其他的一些控制方法相結(jié)合。滯環(huán)電流控制是一種很好的非線性控制方法，實現(xiàn)電路簡單，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)快，同時具有電流限制的能力，但是這種控制的開關(guān)頻率是不斷變化的，會導(dǎo)致濾波器難以進行選取［2］。斜坡比較控制是一種恒頻的線性控制，通過設(shè)置三角載波的頻率，時其與調(diào)制波進行交截，能夠很方便的控制開關(guān)管，但是這種控制需要額外加入最小偏置電流，造成濾波電感中始終有環(huán)流通過，導(dǎo)致逆變器效率難以提高。基于上述控制方法的優(yōu)缺點，本文將采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)基于單周期控制的電流控制算法，外環(huán)基于PI控制的方法對雙Buck逆變器拓撲進行數(shù)字化控制。單周期電流控制是數(shù)字控制特有的一種控制算法，這種控制算法能根據(jù)逆變器當(dāng)前時刻的狀態(tài)方程和輸出電感電流反饋信號來計算當(dāng)前開關(guān)周期的占空比，對系統(tǒng)參數(shù)變動反應(yīng)靈敏，具有較好的穩(wěn)態(tài)輸出特性。同時外環(huán)采用PI控制對采樣電壓與給定電壓的誤差進行控制，使輸出電壓的幅值與給定電壓較為穩(wěn)定地變換。通過這兩種控制相結(jié)合的雙環(huán)控制，能夠很好的結(jié)合兩者的優(yōu)點，克服兩者的缺點，使輸出電壓波形與給定電壓很好地進行跟蹤，輸出電壓波形質(zhì)量更好，同時滿足較低的輸出電壓波形畸變率。

2 電感電流單周期控制算法

雙Buck逆變器拓撲工作時可分為四個工作模態(tài)，如圖1所示。(其中L1=L2=L)

模態(tài)1:開關(guān)管S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(等效電路如圖1中模態(tài)1所示)，流過電感L1的電流線性增加，它的變化率為:

在此模態(tài)中，電感電流大小以(Ud－Uo)/L的斜率上升，此時的續(xù)流二極管是不導(dǎo)通。

模態(tài)2:開關(guān)管S1導(dǎo)通和S2都關(guān)斷時(等效電路如圖1中模態(tài)2所示)，此時續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，流過電感L1的電流線性下降，它的變化率為:

在此模態(tài)中，電感電流大小(－Ud－Uo)/L的斜率下降，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通。

模態(tài)3:開關(guān)管S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(等效電路如圖1中模態(tài)3所示)，流過電感L2的電流線性增加，它的變化率為:

在此模態(tài)中，電感電流大小(Ud+Uo)/L以的斜率上升，此時的續(xù)流二極管D2不導(dǎo)通。

模態(tài)4:開關(guān)管S1和S2都關(guān)斷時(等效電路如圖1中模態(tài)4所示)，流過電感L2的電流線性減小，它的變化率為:

在此模態(tài)中，電感電流大小以(Uo－Ud)/L的斜率下降，此時續(xù)流二極管D2導(dǎo)通。

下面對每個開關(guān)周期的占空比公式進行推導(dǎo)，先對輸出正半周的模態(tài)1和模態(tài)2進行分析，可得如下關(guān)系式:

即

圖1 四種電路工作模態(tài)

可得電感電流iL1在第k個開關(guān)周期的S1導(dǎo)通期間內(nèi)上升電流為:

這是先由模態(tài)1所得，接下來根據(jù)模態(tài)2可得:

即

可得電感電流iL1在第k個開關(guān)周期的S1關(guān)斷期間內(nèi)下降電流為:

綜上可得第k個開關(guān)周期的電感電流變化量為:

由上式可得占空比為:

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

本文的控制方式是基于外環(huán)PI內(nèi)環(huán)單周期控制，同時內(nèi)環(huán)單周期控制還具有預(yù)測電流的效果，能夠使電感電流很好地跟蹤下一拍預(yù)測的給定電流?；究刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 雙Buck拓撲控制系統(tǒng)框圖

電流內(nèi)環(huán)控制的原理是基于單周期控制的思想，單周期控制能夠根據(jù)當(dāng)前開關(guān)頻率、當(dāng)前輸出電壓、輸入電壓和電感電流實時控制，每個開關(guān)周期的占空比的值都達到最佳，并且使被控對象的輸出信號在每個開關(guān)周期內(nèi)的平均值等于參考值，在當(dāng)前的開關(guān)周期內(nèi)能夠消除此時的瞬態(tài)誤差，避免上一個開關(guān)周期的誤差累加到下一個開關(guān)周期，同時能夠有效地抗輸入側(cè)電壓擾動，具有很好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。內(nèi)環(huán)電流算法即上一節(jié)推導(dǎo)的占空比公式。

電壓外環(huán)主要是穩(wěn)定輸出電壓波形，本文中的外環(huán)采用基本PI控制算法，基本PI控制算法的公式如下所示:

4 PSIM仿真分析

為了驗證上述算法的可行性，分別對PI外環(huán)，P內(nèi)環(huán)和PI外環(huán)，單周期內(nèi)環(huán)的算法分別進行空載、半載(500W)和滿載(1000W)的輸出電壓THD進行仿真分析。PSIM環(huán)境下的電路拓撲如圖3所示。

圖3 基于雙Buck逆變拓撲的PSIM仿真圖

圖4

圖5

圖4是外環(huán)PI控制，內(nèi)環(huán)P控制產(chǎn)生的輸出電壓波形圖，圖5是外環(huán)PI控制，內(nèi)環(huán)單周期控制的輸出電壓波形圖，從上面的仿真波形分析看出，負載分別對滿載、半載、空載的時候，當(dāng)內(nèi)環(huán)采用基于預(yù)測電流法的單周期控制的時候比內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)控制的輸出電壓波形畸變率有了很大的改善。

5 結(jié)論

本文研究的雙Buck逆變器，從拓撲結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)較為簡單，由于開關(guān)管和續(xù)流二極管可以分別優(yōu)化設(shè)計，具有損耗小、效率高的特點，同時由于不需要設(shè)置死區(qū)時間，輸出波形畸變率較低。由于整個控制系統(tǒng)采用的是數(shù)字化控制，比模擬控制電路的元器件少了很多，簡化了控制電路的設(shè)計。數(shù)字控制采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用了基于預(yù)測電流法的單周期控制算法，進一步降低了輸出電壓波形畸變率。

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［2］洪峰，劉軍.滯環(huán)電流控制型雙BUCK逆變器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2004，19(8):73－77.

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