兩級式逆變器輸入電流低頻紋波分析及抑制

摘要：針對兩級式單相逆變器在DC／DC前級、DC／AC后級兩級聯調時出現低壓直流源(蓄電池等)輸入電流低頻紋波脈動較大的問題，進行了相關分析和研究，并提出了抑制方法。建立了前級DC／DC變換器的低頻紋波電流傳輸模型，分析了輸入電流低頻紋波脈動來源和傳輸路徑；提出了從控制角度出發，通過添加諧振控制器的，在控制環路中增加對此脈動頻率的衰減，達到抑制輸入電流低頻紋波脈動的效果；并進行了控制環路設計，確保其滿足穩定性要求。設計了一臺原理樣機，通過測試結果驗證了該方法的正確性和實用性。
關鍵詞：逆變器；低頻紋波抑制；諧振控制器；交流信號模型

1 引言
在兩級式逆變器前級DC／DC變換器、后級DC／AC變換器進行兩級聯調時發現低壓直流電源輸入電流中含有頻率為兩倍逆變器輸出頻率的低頻脈動分量，此脈動分量幅值相對其平均值的比例最大可達30％以上。該低頻脈動電流對直流輸入源(蓄電池等)產生較大干擾，嚴重時將會影響直流電源系統穩定性，降低系統效率，甚至會大大衰減蓄電池等輸入電壓源的使用壽命。因此，必須對這種輸入電流低頻脈動進行抑制。文獻提出了相關抑制方法，但均存在不足。
這里分析了低頻脈動電流的產生原因，并建立了前級DC／DC變換器低頻脈動電流傳輸模型，分析了低頻紋波脈動電流來源和傳輸路徑。然后從控制角度出發，在平均電流控制環路中增加諧振控制器以增加對此頻率脈動的衰減，達到抑制輸入低頻紋波脈動的效果。最后，設計了原理樣機驗證了此方法的正確性和實用性。

2 輸入電流低頻紋波原因分析
在飛機等供電系統中，為保證關鍵負荷不間斷供電，通常配備蓄電池等電壓電源(28 V)。但設備負載所需為較高交流電壓(115 V)。故圖1示出的兩級式結構廣泛應用于這種變換器場合，其前級和后級分別為DC／DC變換器、DC／AC逆變器。

2．1 帶逆變器負載前級變換器輸出特性分析
根據圖1分析DC／DC變換器所接逆變器負載特性。帶線性負載逆變器的輸出電壓和電流為：

由式(2)可知，單相逆變器瞬時功率不是恒定的，它在一個直流分量的基礎上疊加了一個兩倍逆變器輸出頻率的交流分量。假設逆變器功率轉換時無損耗，則瞬時輸入功率pin(t)=po(t)，即：

可見，帶逆變器負載DC／DC變換器輸出電流idc(iin-inv)由直流分量Idc和交流分量idc-2ω組成，頻率為2fo。可知DC／DC變換器輸出濾波電感電流中也包含直流分量IL與低頻交流分量iL兩部分。
2．2 輸入電流低頻紋波傳輸路徑分析
從變換器輸出角度來看，可將逆變器負載簡化為含800 Hz脈動電流的電流源。電壓輸入源(蓄電池)用一個內置電阻為Rs的電壓源代替。由此，可建立低頻紋波電流交流分析模型。當DC／DC變換器工作頻率遠大于低頻紋波脈動頻率800 Hz時，可將其等效為一個1：n的理想變壓器，由于主要分析的是交流紋波分量，因此可將直流源短路，然后將初級阻抗折算到次級，即可得只含線路阻抗和紋波的交流模型，如圖2所示。

由圖2可得輸入電流與輸出電流脈動關系：

綜上分析，兩級聯調時前級DC／DC變換器出現輸入電流低頻脈動大的原因是：由于前級DC／DC變換器輸出電壓穩壓、響應速度快，當連接有低頻脈動的逆變器負載時輸出電壓低頻脈動小，意味著輸出電流低頻脈動大，電感電流中就含有較大低頻電流分量，該低頻分量會傳遞到輸入電流中，造成輸入電流低頻脈動大。

3 輸入電流低頻紋波抑制策略
根據前面分析，要減小輸入電流低頻脈動，必須要抑制電感電流低頻脈動。提出的抑制方法為：通過設計合適的控制器使電感電流不含低頻分量，使輸出低頻電流流經輸出濾波電容，即脈動功率主要由輸出濾波電容來承擔，這在一定程度上將提高輸出電壓低頻脈動量。因此，前級DC／DC變換器以電感電流為控制對象，采用平均電流控制策略。圖3為前級DC／DC變換器控制結構圖。

前級DC／DC變換器輸出電壓采樣信號uo與基準信號uref比較所得誤差進入電壓PI調節器，電壓調節器輸出作為電流環給定ig，與電感電流采樣信號uff進行比較進入電流PI調節器，其輸出進入PWM信號發生器，與鋸齒波進行交截，產生PWM信號，驅動主功率管。抑制電感電流低頻脈動，就是要減小電感電流給定中的低頻分量，即將電壓環輸出中800 Hz分量增益減小。可通過降低電壓環截止頻率，以濾除低頻分量，但會影響變換器動態性能。基于此，在PI電壓調節器的輸出后加入一個諧振控制器(帶阻濾波器)，也可將電壓調節器設計成PR調節器，對800 Hz頻率信號進行濾除，而不影響其他頻段信號。