采用BoostPWMDC/DC變換器的正弦波逆變器

摘要：介紹了采用BoostPWMDC/DC變換器的正弦波逆變器的工作原理與控制方式，這是一種新型的正弦波逆變器。

關鍵詞：升壓；DC/DC變換器；正弦波逆變器

1 引言

傳統的電壓型逆變器只能降壓，不能升壓。要升壓就必須采用升壓變壓器，或在直流電源與逆變器之間串入Boost DC/DC變換器。這對于應用于UPS及通信振鈴電源的低頻逆變器來說，將會使電源的體積重量大大增加。而采用新型的BoostPWMDC/DC變換器組成的逆變器，將會很簡單地實現升壓逆變。如果在一個周期內不斷地按著正弦規律改變載波周期內的占空比D，就可以輸出電壓成為正弦波。

2 Boost變換器的升壓特性

BoostPWMDC/DC變換器具有優越的無級升壓變壓功能，因此，可以把它直接應用于需要升壓變壓的高開關頻率PWM電壓型逆變器中。

Boost變換器電路如圖1（a）所示。假定開關S的開關周期為T，開通時間為t_on=DT，關斷時間為t_off=(1－D)T,而D=t_on/T=0～1為開通占空比，(1－D)=t_on/T為關斷占空比。Boost變換器有兩個工作過程。

1）儲能過程在S開通期間t_on為電感L的儲能過程，其等效電路如圖1（b）所示。S開通，輸入電路被S短路，輸入電流i₁使電感L儲能，加在L上的電壓為電源電壓U_S，電壓方向與電流方向相同。由電磁感應定律得

在t_on期間，L中的電流增量為

ΔI_1on=

2)放能過程在S關斷期間t_off，為電感L的放能過程，其等效電路如圖1（c）所示。S關斷，D導通，電源與輸出電路接通，電感L放能，加在L的電壓為輸出電壓U_o與電源電壓US之差（U_o－U_S）,電壓方向與電流i₂的方向相反。由電磁感應定律得

在t_off期間，L中的電流減小量為

ΔI_2off=

電路穩定后，ΔI_1on=|ΔI_2off|

所以DT=(1－D)T；U_S=(1－D)U_o

故輸出輸入電壓變比 （1）

Boost變換器的工作波形如圖1（d）所示，可以看出：輸入電流i₁是連續的，輸出電流i₂是斷續的。i₁連續是因為輸入電路有L的存在。

作出M=f(D)的關系曲線如圖1（e）所示。由于D=0～1,所以,說明Boost變換器只能升壓，不能降壓。

(a)原理電路

（b）儲能等效電路 (c)放能等效電路

（d） 波形圖 (e)M=f(D)曲線

圖1 Boost變換器電路的工作波形及M=f(D)曲線

3 Boost逆變器的構成

對于UPS或交流電動機驅動用的逆變器，要求它必須能夠雙向四象限工作，所以，應將Boost DC/DC變換器改進成雙向變換器。所謂雙向變換器，就是功率既可以從輸入端流向輸出端，也可以從輸出端流向輸入端。為此，必須要解決電流反向流通的問題。最簡單的解決辦法是在原電路的三極管上反并聯一只二極管，在原電路的二極管上反并聯一只三極管，三極管和二極管共同組成兩個反向導通的開關S和S。S和S按互補方式工作。這樣，不僅保證了正反向電流的流通，而且也不使等效電路的工作過程發生變化。改進后的電路如圖2（a）所示，圖2（b）為雙向Boost變換器的M=f(D)曲線。當功率由U_S輸送到U_o時，變換器工作在Boost狀態，。當功率由U_o輸送到U_S時，變換器工作在Buck狀態，M=1－D。

所謂S與S互補工作，即在DT期間S開通，S關斷，在（1－D）T期間S開通，S關斷。

根據變換器變比的定義，當U_S為電源U_o為負載時，變比M=稱為正向變比。當U_o為電源U_S為負載時，變比M=稱為反向變比。兩者之間的關系為M=。令互補占空比D=1－D，則1－D=D，因此，Boost變換器的變比M=，M=1－D=D。

(a)雙向Boost變換器電路 (b)M=f(D)曲線

圖2 雙向Boost變換器的原理電路及其M=f(D)曲線

用圖2（a）所示的Boost雙向變換器構成的雙向四象限Boost逆變器如圖3（a）所示，圖3（b）為雙向四象限Boost逆變器的M=f(D)曲線。Boost逆變器是用兩個雙向Boost變換器，共用一個電源U_S，在電源的負極上下對稱地并聯起來構成的。負載電阻R以輸出差動的形式連接電路中。逆變器的4個開關工作在如圖3（a）所示的互補方式，由電源U_S通過上下兩個雙向變換器向負載R供電。當上面的雙向變換器變比為M′=f(D)時，下面的雙向變換器的變比即為M′=f(D)，D=1－D。這樣，逆變器a點的電壓U_a=M′U_S，b點的電壓U_b=M′U_S，負載R上的電壓U_L=U_a－U_b=M′U_S－M′U_S=U_S(M′－M′)。根據變比的定義，逆變器的變比M==M′－M′。

對于Boost逆變器，M′=，M′==1/D，所以

M=M′－M′=－=（2）

作出與D的關系曲線如圖3（b）所示。

(a) Boost逆變器電路

(b) M=f(D)曲線

圖3 Boost雙向四象限逆變器及其M=f(D)曲線

4 Boost逆變器的PWM控制法

Boost逆變器的PWM控制法大約有5種，即SPWM控制法，滑模控制法（Sliding mode control）,電壓跟蹤控制法，函數控制法（Function control）和離散變量控制法。它們各有特點，適合于不同用途的Boost逆變器。但應用較多的是前三種控制法。

4.1 SPWM控制法

適合于Boost逆變器的SPWM控制法有三種形式，即二階SPWM控制、三階SPWM控制，三階交互式SPWM控制。