帶雙Buck逆變器的DC／DC變換器低頻電流紋波抑制

摘要：兩級式逆變器瞬時輸出功率中含有兩倍輸出電壓頻率的脈動分量，該脈動功率以脈動電流形式表現在輸入側，對供電電源及變換器自身造成影響。詳細分析了后級為全橋和雙Buck變換器時兩倍頻脈動功率的表現形式和傳輸機理，針對后級為雙Buck變換器的兩級式逆變器提出新的采樣方式，并在控制環路中引入陷波濾波器來抑制低頻紋波。在此基礎上，定量分析了不同紋波抑制方法的效果，指出陷波濾波器較平均電流控制在動態性能方面的優勢。最后，通過實驗進行驗證，并給出了紋波抑制前后的系統效率曲線。
關鍵詞：變換器；低頻紋波；陷波濾波器；動態響應

1 引言
在不間斷電源、光伏和電動汽車等分布式發電系統中，為獲得負載所需115 V或220 V交流電，系統通常需采用DC／DC+DC／AC兩級式結構。由于逆變器瞬時功率中含兩倍頻脈動量，則前級DC／DC變換器輸入電流將含有低頻脈動量，對直流輸入源產生不利影響。相關標準對輸入電流紋波值給出了明確規定。目前關于低頻紋波抑制的研究均是針對后級為全橋逆變器的架構，而對于逆變級為雙Buck逆變器的前級DC／ DC變換器輸入電流紋波抑制方法，尚無文獻進行詳細分析。
在此基礎上，這里對后級為雙Buck變換器的兩級式逆變器兩倍頻脈動功率進行了分析，引入陷波濾波器來實現雙Buck逆變器負載時DC／ DC變換器輸入側低頻紋波抑制，分析了不同紋波抑制方法時系統的動態響應，并給出系統效率曲線。

2 不同類型逆變器時脈動功率分析
2．1 全橋逆變器時
當后級為全橋變換器時，兩級式逆變器結構如圖1所示。對于線性負載，其輸出電壓、電流為：

式中：Uo，Io分別為輸出電壓、電流的有效值；ω為輸出電壓的角頻率：φ為輸出阻抗角。

瞬時輸出功率為：
po(t)=uo(t)io(t)=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)] (2)
由于母線電壓脈動幅值△Ubus占中間母線電壓Ubus的比例很小，假設Ubus為恒定值，若不考慮系統損耗，可得逆變器輸入電流瞬時值為：
iinv=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)]／Ubus (3)
而△Ubus是由逆變器輸入電流的充放電引起的，故母線電壓脈動頻率為2fo(fo為輸出電壓頻率)，則DC／DC變換器輸入電流為：
iin=UoIo[cosφ-cos(2ωt-φ)]Uin (4)
式中：Uin為DC／DC變換器輸入電壓。
可見，DC／DC變換器輸入電流脈動頻率為2fo，電感電流脈動頻率亦為2fo。
2．2 雙Buck逆變器時
后級為雙Buck逆變器時，兩級式逆變器結構如圖2所示。逆變器正半周期工作時，Cbus放電，Cbus充電；負半周期工作時，Cbus1，充電，Cbus2放電。在一個周期內，Cbus1，Cbus2各完成一次充放電，所以單個母線電容電壓脈動頻率為fo，兩電容電壓之和在一個周期內完成兩次充放電，則脈動頻率為2fo。

雙Buck逆變器無偏置電流工作時，由于DC／DC變換器與逆變器相互作用，DC／DC變換器以半周期模式工作，即在逆變器半周期內，DC／ DC變換器輸出電流僅流過單個直流濾波電感Ldc1或Ldc2，則單個電感電流脈動頻率為fo，兩直流濾波電感電流之和脈動頻率為2fo，DC／DC變換器輸入電流脈動頻率為2fo。

3 雙Buck逆變器時輸入側低頻紋波抑制
3．1 輸入側低頻脈動電流抑制方法
對雙環控制的DC／DC變換器，將電壓控制器的誤差信號作為電流給定。由于采樣的電壓信號中含低頻分量，使電流給定中也含低頻分量，因而使電感電流成為脈動的電流，則輸入電流也隨之脈動。若電流給定低頻含量小，則輸入電流將變得平直?；诖艘胂莶V波器將電流給定中特定的頻率成分消除或大大衰減，從而抑制低頻紋波。

由上節可知，逆變級為雙Buck變換器時，DC／DC變換器以半周期模式工作。因此，DC／DC變換器電壓環采樣母線電壓的一半，電流環采樣兩電感電流之和，引入的陷波濾波器中心頻率設計為fo。DC／DC變換器控制框圖如圖3所示。