采用BoostPWMDC/DC变换器的正弦波逆变器

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/DC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t_on=DT，关断时间为t_off=(1－D)T,而D=t_on/T=0～1为开通占空比，(1－D)=t_on/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t_on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U_S，电压方向与电流方向相同。由电磁感应定律得

    在t_on期间，L中的电流增量为

    ΔI_1on=

    2)放能过程在S关断期间t_off，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U_o与电源电压US之差（U_o－U_S）,电压方向与电流i₂的方向相反。由电磁感应定律得

    在t_off期间，L中的电流减小量为

        ΔI_2off=

    电路稳定后，ΔI_1on=|ΔI_2off|

    所以DT=(1－D)T；U_S=(1－D)U_o

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=0～1,所以,说明Boost变换器只能升压，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U_S输送到U_o时，变换器工作在Boost状态，。当功率由U_o输送到U_S时，变换器工作在Buck状态，M=1－D。

    所谓S与S互补工作，即在DT期间S开通，S关断，在（1－D）T期间S开通，S关断。

    根据变换器变比的定义，当U_S为电源U_o为负载时，变比M=称为正向变比。当U_o为电源U_S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=1－D，则1－D=D，因此，Boost变换器的变比M=，M=1－D=D。

(a)双向Boost变换器电路    (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U_S，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U_S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=1－D。这样，逆变器a点的电压U_a=M′U_S，b点的电压U_b=M′U_S，负载R上的电压U_L=U_a－U_b=M′U_S－M′U_S=U_S(M′－M′)。根据变比的定义，逆变器的变比M==M′－M′。

    对于Boost逆变器，M′=，M′==1/D，所以

    M=M′－M′=－=（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。