一種多功能逆變電源的設計與證實

1 引言

隨著現代科技的發展，逆變電源廣泛應用到各行各業，進而對其性能提出了更高的要求。傳統的逆變電源多為模擬控制或數字相結合的控制系統。好的逆變電源電壓輸出波形主要包括穩態精度高，動態性能好等方面。目前逆變器結構和控制，能得到良好的正弦輸出電壓波形，但對突變較快的波形，效果不是很理想。

函數信號發生器，是實驗教學中常用的設備。能產生不同頻率和電壓等級的波形：方波信號，三角波，正弦信號波形。近年興起的一種新的DDS技術，即直接數字頻率合成技術。但是他們都為小信號波，沒有功率輸出，不能帶一定的負載。

本文提出的多功能逆變電源，主電路采用二重單相全橋逆變器結構，輸出的電壓波形對給出的參考波形跟蹤，有功率輸出，能帶一定的負載。控制采用加入微分環節的滯環控制，完全實現數字化控制。

2 主電路設計

多功能逆變電源原理如圖1，有兩部分組成：主電路和控制部分。其中主電路的參考信號，可以與計算機通信或者其他電路得到。

圖1 多功能逆變電源原理

在主電路的設計上借鑒了多重逆變器結構，采用了二重單相全橋逆變器連接。原理圖如圖2。兩個逆變器直流側電壓不相同，主逆變器的直流側電壓為Udc，從逆變器的直流側電壓為3Udc。輸電電壓波形共有9個電平組成：±4Udc，±3Udc，±2Udc，±Udc，0。由于輸出電平的數量多于單個逆變器,輸出波形較好。主逆變器工作為較高頻率，從逆變器工作頻率較低，極大的降低開關損耗。在參考波形變化緩慢階段，只需要主逆變橋工作，就能很好的跟蹤參考信號;當參考信號變化相當快速的時刻，需要輔助逆變橋和主逆變橋同時工作，快速精確跟蹤參考信號。

圖2 二重級聯單相全橋逆變器拓撲

3 控制設計

在控制部分采用滯環完全數字化控制。滯環控制響應速度快、準確度較高、跟蹤精度高，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量等特點，能夠使用DSP實現數字化控制。對于主電路的主逆變器和從逆變器采用滯環控制。

圖3 滯環控制原理

如圖3所示，主開關的滯環寬度為h，從開關管的滯環寬度為hs，且hs>h。主逆變器一直工作，開關管V1和V4;V2和V3交替導通關斷。從逆變器有三種工作狀態。在t1~t2時刻，誤差電壓并沒有超過從逆變器的滯環寬度，只需要主逆變器工作，四個開關管都關斷;在t3時刻，誤差電壓△u>hs,開關管VS2和VS3導通，開關管VS1和VS4關斷;t4時刻誤差電壓-△u-hs開關管VS1和VS4導通，開關管VS2和VS3關斷。

考慮到跟隨突變信號時跟隨困難的情況，在滯環控制器前引入了微分環節，如圖4所示，以改善跟隨效果。

圖4 帶微分環節的滯環控制

引入微分環節后，根據圖1和圖2所示，對主逆變器滯環控制策略為：

式中：T為微分時間常數。

上述不等號取等號情況，則實際環寬h′為：

當穩態或者電壓變化率不大時微分環節很小，可忽略，h′較大;當電壓突變時微分環節將很大，不能忽略，h′較小，u迅速跟蹤Uref。加入微分環節實際上就是改變滯環寬度。從逆變器滯環控制也采用相同原理。

3 仿真

利用Matlab，根據所提出主電路和控制設計建立模型。對圖1的二重級聯單相全橋逆變器進行仿真，負載為阻感型。

參考信號為正弦波，周期T為0.02s，最大值為50V。輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 參考信號為正弦波輸出電壓

參考信號為三角波，電壓最大值為70V，輸出電壓如圖6所示。

圖6 參考信號為三角波輸出電壓

從圖5和圖6看出，當參考信號為變化不是很快的正弦波和三角波信號時，逆變電源的輸出電壓能精確跟蹤。

參考信號為階梯波，輸出電壓波形如圖7所示。

圖7 參考信號為方波輸出電壓

參考電壓信號為方波時，電壓值為70V。輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 參考信號為方波輸出電壓

當參考信號為階梯波或方波，方波和階梯波有突變時刻，逆變電源的輸出電壓也能很好跟蹤參考信號。從圖7和圖8看出，輸出電壓是質量很好的階梯波和方波，可作為電壓源使用。

4 結論

多功能逆變電源，主電路采用二重級聯單相全橋逆變器結構，輸出的電壓波形對給出參考波形跟蹤，有功率輸出，能帶一定的負載，可直接作為電壓源使用。控制采用加入微分環節的滯環控制，完全實現數字化控制。最后通過Matlab仿真，證實設計的多功能逆變電源是可行的。