单周控制反激逆变器

蔡可健 张 颖 程晓燕

（江苏食品职业技术学院机电工程系 淮安 223001）

1 引言

随着功率半导体器件的发展，人们对高频链逆变技术的研究取得了显著的成果。基于双向反激DC-DC变换器的逆变器以特有的高频电气隔离、电路拓扑简洁、单级功率变换及成本低等优点引起了更多的关注。可是，全桥、半桥及推挽式双向电流源高频链逆变器虽然都解决了双向电压源高频链逆变器固有的电压过冲问题，但受其固有拓扑的限制，其占空比都不能大于0.5，都必须通过提高变压器匝比来实现高的输出电压[1-6]。为此，提出了采用辅助关开管关断正激通路的电路拓扑及运用两套双向反激 DC-DC变换器输入并联、输出串联构成的电路拓扑[7-9]，占空比都能大于 0.5，从而减小了功率开关管的应力，也获得了较宽的输出输入电压比。但是，上述双向电流源高频链逆变器都是采用输出电压瞬时反馈的SPWM控制方案，工作在电感电流断续模式（DCM），对扰动响应较慢，在达到稳定之前需要数个开关周期。文献[10]进一步研究了由两套双向反激 DC-DC变换器输入并联输出串联构成的反激逆变器，基于工作在电感电流连续模式（CCM）的逆变器提出了同步整流控制方案，减小了开关管损耗，提高了整机效率，但其控制方式没有本质的变化，逆变器的控制性能并没有得到改善。

本文深入研究了一种高占空比反激逆变拓扑，对基于工作在电感电流连续模式的反激逆变器，在同步整流的基础上提出了单周控制（one-cycle control）策略，它与传统的SPWM控制相比，不仅结构简单、稳定性好，而且控制精度高、响应速度快、对扰动抑制能力强，鲁棒特性好[11-14]。

2 主电路构成及工作原理

本文提出的单周控制反激逆变器主电路拓扑如图1所示，它仅由3只功率开关管、2只辅助开关管及1只高频变压器组成。其中功率开关管VT1构成高频变换器，控制每个开关周期直流电源Uin传输的能量；开关管VT2、VT3及VTa、VTb构成周波变换器，VT2、VT3用于实现正弦交流电的能量回馈，辅助开关管 VTa、VTb用于实现正弦交流电压的正负交替；变压器T兼有电气隔离、调整电压变压比和储能的作用。

图1 单周控制反激逆变器主电路Fig.1 Circuit of one-cycle control type DC-AC inverter

由反激 DC-DC变换器工作在电感电流断续模式下的传递函数可知，反激 DC-DC变换器工作在电感电流断续模式时，系统属于一阶系统，传递函数在s平面的右半平面无零极点，串联补偿网络只需要一阶阻容网络，系统的稳定范围大。但是，断续模式时开关管的电流峰值和有效值高，从而损耗大、效率低。若工作在电感电流连续模式，它有一个右半平面零点，属于非最小相角系统，需要采用比例-积分-微分补偿网络，但可明显降低损耗、提高效率。所以，本文提出的单周控制逆变器设计工作在电感电流连续模式。

在输出电压uo(t) 的正半周，VT3、VTb一直关断，VTa一直导通，VT1、VT2互补导通，电流ios可正可负，逆变器工作在第Ⅰ、Ⅱ象限，等效电路如图2a所示。

图2 单周控制反激逆变器等效电路Fig.2 Equivalent circuits of DC-AC inverter

在ios＞0 时，Uin、VT1、Lp、Ls1、VT2（VD2）、C0和Z0构成反激 DC-DC功率变换器，VT1高频斩波，VD2续流，VT2同步整流，电源Uin向负载输送能量。当VT1开始导通，变压器一次电感电流线性上升，电感Lp储能增加，设开关管VT1的占空比为D1，开关周期为Ts，经过D1Ts时间电源Uin输送给变压器一次电感Lp的能量为

经过D1Ts时间，VT1关断，VT2开始导通，储存在电感Lp的能量通过次级电感Ls1提供给负载。经过(1-D1)Ts时间负载获取的能量为

因为

所以，式（3）可写成

式中N1——变压器一次匝数；

N2——变压器二次匝数。

这里采用通态电阻低的功率场效应管取代了单向导通的续流二极管，不仅在大电流情况下能明显降低整流管的导通损耗，而且Iinmin和Iosmin也可以小于零。所以，在一个开关周期内电感电流不可能出现断续情况。

由于开关管的非理想性，存在着开通及关断的延时，为确保电路的安全工作，通常要在两开关之间插入死区时间。因此，当 VT1关断时，VT2尚没导通，在这个死区时间，VD2受正向电压导通，并将VT2漏源极钳位在零电压状态，而后VT2零电压开通，当VT2关断时，电路又经过另一个死区时间，如果传递功率较大，则在VT2关断后，电流经过VD2继续流动，再次开通VT1，VD2受反向电压而关断；如果传递功率较小，则在VT2开通期间，流过它的电流将很快下降到零，而后转为反向流动，这种情况下关断VT2，则VD1受正向电压导通，并将VT1漏源极钳位在零电压状态，而后VT1零电压开通。假设逆变器工作在理想状态，略去开关管互补导通的死区时间，在一个开关周期对电感LP运用伏秒平衡原理，得

亦即

略去在一个开关周期内直流电源电压Uin可能受到的扰动，对式（7）第一项积分，得

由于逆变器具有能量流双向传递功能，而且VT1、VT2互补导通，所以式（8）又可表示成

式中，D2是开关管VT2的占空比，且D1+D2=1。

由式（9）可知，输出电压uo仅是开关管的占空比D的一元函数。因此，调节开关管的占空比满足某一规律就可以使逆变器输出正弦交流电压。当输出输入电压满足式（9）时，根据式（1）及式（5），又有

所以按照式（9）调节占空比也能满足输送能量的需要。

在ios＜0 时，Z0、C0、VT2、Ls1、Lp、VT1（VD1）和Uin构成反激DC-DC功率变换器，VT2高频斩波，VD1续流，VT1同步整流，能量从负载端回馈到电源。当VT2开始导通，变压器次级电感电流线性上升，电感Ls1储能增加，VT2经过D2Ts时间关断；当VT2关断时，VT1开始导通，储存在Ls1的能量通过初级电感Lp回馈给电源。略去开关管互补导通的死区时间，在一个开关周期对电感Ls1运用伏秒平衡原理，得

显然，式（11）与式（8）及式（9）都是等同的。因此，在输出电压uo(t) 的正半周，无论是负载获取能量，还是负载回馈能量，仅需要调节同一只开关管的占空比就可满足输出电压和负载的需要。

在输出电压uo(t) 的负半周，VT2、VTa一直关断，VTb一直导通，VT1、VT3互补导通，电流ios可正可负，逆变器工作在第Ⅲ、Ⅳ象限，等效电路如图 2b 所示，Uin、VT1（VD1）、Lp、Ls2、VT3（VD3）、C0和Z0构成双向反激DC-DC功率变换器。在ios＜0时，VT1高频斩波，VD3续流，VT3同步整流，电源向负载输送能量。在ios＞0时，VT3高频斩波，VD1续流，VT1同步整流，能量从负载端回馈到电源。调节 VT1（或 VT3）的占空比可以满足输出电压和负载的需要。详细分析与输出电压的正半周类同，在此不再赘述。

3 单周控制策略

图3 控制原理图Fig.3 The control scheme of inverter

4 变压器主要参数

高频储能变压器的设计好坏对逆变器的效率影响很大，它的主要参数必须选择恰当。设逆变器的输出频率fo远小于开关频率fs，在一个开关周期内变压器二次电流的最小值为Iosmin，则变压器的瞬时输出功率可表示为

由式（6）可知，略去一个开关周期uo的变化，有

于是，式（12）又可写成

所以

由以上对逆变器的工作原理分析可知，在一个开关周期内，若变压器二次侧最小电流Iosmin≥0，则 VT2（或 VT3）同步整流且零电压开通。若变压器二次侧最小电流小于0， 则VT1、VT2（或VT1、VT3）都实现了零电压开通。在变压器二次侧最小电流小于0的状况下，虽然实现了所有开关管的零电压开通，但在每个开关周期内也出现了能量循环，循环过大又会明显降低逆变器的效率。因此，逆变器工作在Iosmin=0附近最为适宜。这里设计逆变器在输出最大功率的 60%时对应的最小电流等于 0。于是，结合式（15）可得储能变压器一次电感为

变压器一次、二次匝比应满足

式中k=60%；

Dmax——最大占空比；

Uo——输出电压有效值；

PN——输出额定容量；

η——逆变器效率。

5 实验验证

根据以上理论分析，制作了一台样机进行实验验证，其主要参数为：输出电压 220V/50Hz，输出额定容量 250VA，30～48V直流电源，时钟频率50kHz，变压器一次侧4匝，二次侧18匝，R2KBD磁心，VT1～VT3选用IXTH50N10型号，VTa、VTb选用2SK1512型号，输出电容选用4.7μF/AC220V。图 4a是阻性负载时逆变器输出电压uo和输出电流io的波形，图4b和图4c分别是功率因数为0.75，输出额定容量时的感性负载和容性负载逆变器输出电压uo和输出电流io的波形，这表明采用单周控制的逆变器具有四象限运行的能力及很好的负载适应性。图4d是逆变器从空载到额定电阻性负载突然切换时逆变器的输出电压uo和输出电流io的动态响应波形，从图 4中可以看出，逆变器对于满载切换的动态响应时间小于0.1ms，这表明采用单周控制的逆变器具有很好的动态响应特性。图4e是开关管VT2(VD2) 的电压电流波形，其他开关管类同。实验结果充分证实了理论分析的正确性。

图4 实验波形Fig.4 Experimental waveforms

6 结论

本文研究了一种占空比能够大于 0.5的反激逆变器，提出了单周控制方案，增强了逆变器抑制扰动的能力，提高了逆变器的控制精度和响应速度，电路结构简单、稳定性好。详细分析了电路的工作原理和控制原理，并进行了实验验证。同时，该逆变器还具有同步整流、零电压开通及高频电气隔离等优点，适合于低电压大电流场合。

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