双BUCK半桥逆变器研究--打印文章-电源开发网

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双BUCK半桥逆变器研究

http://www.dykf.com 2009/2/23 电源开发网

Abstract：In this paper the principle of dual buck half bridge inverter based on hysteresis current control mode is presented，and analysing the working procedure is given。

Keyword：Dual buck half bridge Inverter Hysteresis current control

一　引言

　　逆变器是二次电源系统，它把直流电源变换成恒频恒压的交流电源。逆变器常采用的拓扑有半桥、全桥、反激或在此基础上加一些辅助器件构成软开关或高频磁链等结构；控制方法也常采用载波交截式（△SPWM）和滞环电流控制方式等两种。在桥式拓扑结构中，为了避免同一桥臂的上、下开关管的直通，所以在同一桥臂的驱动信号之间加入死区。由于死区的加入，一方面造成输出电压波形畸变；另一方面开关频率不能太高，滤波电感和滤波电容都比较大，系统动态性能较差。又由于电路工作在续流时，是通过开关管的体二极管进行；开关管体二极管性能比一般的高性能单独二极管的性能差，特别是反向恢复时间较长，因此造成系统效率较低。于是人们又提出由两个BUCK电路构成双BUCK半桥逆变电路，来解决此问题（拓扑如图（1）所示）。双BUCK半桥逆变器控制方法也有△SPWM和无偏置电流半周期滞环电流控制方式等。由于BUCK 电路在负载较小时有可能工作在电流断续模式，那么会造成输出电压波形畸变，所以在△SPWM控制方式中需加入额外偏置电流信号。这样就造成滤波电感中始终有环流流过，系统效率较低。而采用无偏置电流半周期滞环电流控制方式能较理想地实现两个电感电流自然切换和半周运行，实现较高的开关频率和需要较小的滤波电感，很好的解决这个问题。下面以无偏置电流半周期两态滞环电流控制方式分析此电路。

图（1）主电路

二　工作原理

1．两态滞环电流控制方式原理是

　　电流基准（电压误差调节信号）和电感电流反馈信号相比得到电流误差信号ie，电流误差信号ie再经滞环比较器得到PWM信号来驱动驱动功率管，控制电感电流在设定的环宽内（±h）变化。当电流误差信号ie大于正环宽（+h）时，开关管关断，电感电流减少；当电流误差信号ie小于负环宽（-h）时，开关管开通，电感电流增加；当电流误差信号ie在正负环宽内，开关状态维持前一状态不变。就这样一直调节下去，可以保证输出跟随输入，并且误差在正负环宽内。由于电流环的引入，使系统响应加快、动态性能好、系统稳定性加强。所以流环控制得到广泛的应用。

2．双BUCK半桥逆变器无偏置电流半周期两态滞环电流控制调制过程如下（控制框图如图（2））

　　当逆变器输出电流为正向

（电感L1中有电流）时，S1、L1和D1调制工作，S2、D2不工作，L2中电流为零，使电感L1中的电流跟踪电流给定信号，工作区间如图（3）中的A、B区间；A区间电流电压不同相，为能量回馈给输入电源，而B区间电流电压同相，为能量从输入电源传递给负载。当逆变器输出电流为负向

（电感L2中有电流）时，S2、D2和L2调制工作，S1、D1不工作，L1中电流为零，使电感L2中的电流跟踪电流给定信号，工作区间如图（3）中C、D区间；C区间电流电压不同相，为能量回馈给输入电源，D区间电流电压同相，为能量从输入电源传递给负载。电流表达方为：

　　　　　　　　　　（1）

图（2）控制框图

图（3）电压和电感电流波形

3．下面简要说明双BUCK半桥逆变器工作原理

　　假设电感L1=L2=L；C1=C2且很大，可把它们看成两个恒压源且电压大小相等；开关管S1，S2和二极管D1，D2均视为理想器件。工作过程如下（参照图（1））：
　　Ⅰ 当

时：
　　a. 模态1　S1导通，S2关断
　　在输入电压和输出电压作用下，电感L1中电流增加，变化率为：

　　　　　　　（2）
　　（其中

）　
　　此模态中，电感电流以

的斜率上升。　　　　　
　　b. 模态2　S1关断，S2关断
　　在输入电压和输出电压及D1导通作用下，电感L1中电流减少，变化率为：

　　　　　　（3）
　　此模态中，电感电流以

的斜率下降。
　　Ⅱ 当

时：
　　c. 模态3　S2导通，S1关断
　　在输入电压和输出电压作用下，电感L2中电流减少，变化率为：

　　　　　　（4）
　　此模态中，电感电流以

的斜率下降。
　　d. 模态4　S2关断，S1关断
　　在输入电压和输出电压及D2导通作用下，电感L2中电流增加，变化率为：

　　　　　　　（5）
　　此模态中，电感电流以

的斜率上升。

4．开关频率的计算

　　下面以开关管S1为研究对象进行分析：
　　设

，在S1导通时（导通时间为T1）电感L1中电流在输入电压和输出电压Uo的作用下增加。在T1时间内电感电流增加，增加为△I=2h，侧

　　　　　　　（6）　　　　　　　　　　
　　在S1关断时（关断时间为T2），电感L1中电流的电流不能突变，通过负载，电容C2和二极管D2形成回路，这时输出电压和输入电压共同阻止电感中电流。在T2时间内电感电流减少，变化为△I=-2h，侧

　　　　　　　　（7）
　　对于开关管S1来说，其开关周期

，侧频率为：

。那么由式（6）和（7）可得开关频率表达式：

　　　　　　　　　（8）
　　所以当输出电压Uo为零，有最大开关频率，最大开关频率为：

。　　　　　　　　　（9）
　　同理，对于S2为对象进行分析，可得到同样的结论。可见，开关管的工作频率与滞环宽度和滤波电感大小成反比；在输入电压和滞环宽度和滤波电感大小一定时，开关频率随着输出电压加大而降低。而最大开关频率在滞环宽度和滤波电感大小一定时，和输入电压成正比。实验结果也验证了这一点既随着输入电压增加，输出电压波形失真度越来越少，既开关频率加大；在减少滞环宽度和滤波电感大小也可以得到同样结果。从仿真和实验波形也可以看出，输出电压在零点附近时，开关频率比其它时间高（见仿真和实验波形图）。因此系统的滞环宽度和滤波电感大小应根据输入电压最小值和输出电压的要求及满足滞环控制原理的要求等来进行设计。

三　仿真和实验

　　根据以上的原理论述，用SABER软件进行电路仿真。仿真结果如图（4）所示。从图（4）可以看到输出电流为正向（

）时，S1、L1和D1调制工作，S2、D2不工作，L2中电流为零；输出电流为负向（

）时，S2、D2和L2调制工作，S1、D1不工作，L1中电流为零。仿真结果证明了上述原理的正确性。根据以上分析和仿真，进行实验验证。实验结果如图（5）图、（6）所示。从图（5）图、（6）可以看到分析结果的正确性。

图（4）仿真波形

图（5）电感L1和开关管S1的DS两端及输出波形

图（6）电感L2和开关管S2的DS两端及输出波形

四　结束语

　　通过电路仿真和实验，验证了双BUCK半桥无偏置电流半周期滞环电流控制方式正确性和可行性。双BUCK半桥逆变器具有电路结构简单、开关管无直通、不必设置死区、可靠性高、效率高等优点，将会得到广泛的应用。但它也有明显的缺点，需要两个输出滤波电感；同时由于滤波电感电流单向流动，其电流的检测要用两个电流霍尔传感器。所以双BUCK半桥逆变器的成本比一般半桥电路逆变器的成本有所增加。但从系统的可靠性上来说，双BUCK半桥逆变器优点还是很明显的，特别适用于对逆变器可靠性要求较高的场合，如航空领域和UPS之中。

参考文献

[1]　刘凤君，《正弦波逆变器》，科学出版社，2000
[2]　刘军，《一种新颖的双将压式半桥逆变器》，南京航空航天大学博士学位论文，2003
[3]　陈坚，《电力电子学》，高等教育出版社，2002
[4]　Gerald R.Stanley,Kenneth M.Bra dshaw, “Precision DC to AC Power Conversion by Optimization of the Output Current Waveform—The Half Bridge Revisited”,IEEE Transcations On Powe Electronics,Vol 14,No.2,March 1999

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作者：张先进王… 来源：《电源世界》点击数：

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