一种Buck／Boost单级逆变器的研究

0 引言
逆变技术是一种重要的电能变换技术，它广泛地应用于不间断电源(UPS)、有源滤波、电机驱动以及新能源发电等各类重要的工业场合。传统的逆变器拓扑，包括半桥、全桥、推挽等都是从基本的Buck电路延伸而来的，这里将它们统称为Buck型逆变器。Buck型逆变器的一个显著特点就是任一时刻的输出电压必须低于直流侧母线电压，即它只能实现降压逆变。因此，对于要求输出电压峰值大于直流侧母线电压的应用场合就必须在逆变器的输入侧增加一级DC／DC升压变换器，将直流电压升压到逆变器所要求的输入电压；或者在逆变器的输出侧增加一个升压变压器，将输出正弦电压升压到所需要的输出电压。这两种解决方案相对于只需实现降压逆变的单级逆变器，增加了系统的体积、重量和复杂性。因此，如果有一种在直流侧母线电压低于输出电压峰值时也能实现逆变功能的单级逆变器，即单级可升压逆变器，将是令人向往的。
参考文献提出了一种单级可升压逆变器，它由两个Buck／Boost电路在输入端并联输出端串联构成。这种电路很好地实现了升压逆变的功能，但是由于电路中存在着很大的环流，器件的电流应力很大。
本文提出了另一种单级可升压逆变器，它由两个Buck／Boost电路在输入端串联输出端并联构成。由于电路采用半周期运行模式，主电路中不存在环流。本文详细分析了其工作原理和控制策略，并进行了仿真和实验。结果表明Buck／Boost单级逆变器成功地实现了单级升压逆变。

1 电路拓扑及模态分析
1．1 电路拓扑
Buck／Boost单级逆变器的电路拓扑如图1所示。它由两路Buck／Boost变换器组成。两路Buck／Boost电路分别是：由开关管S1、S2，二极管D1、D2，电感L1和电容C1组成的第一Buck／Boost电路；由开关管S3、S4，二极管D3、D4，电感L2和电容C2组
成的第二Buck／Boost电路。两路Buck／Boost电路在输入端串联，在输出端并联。需要指出的是这里的Buck／Boost电路中增加了二极管D1、D3，开关管S2、S4。增加D1、D3是为了防止续流管工作时开关管S1、S3的体二极管导通而将输出电压箝位在输入电压。增加S2、S4的作用则是控制二极管D2、D4分别只为电感L1、L2提供续流回路。否则二极管D2会在输出电压为正时一直导通对电感L1进行充电，二极管D4会在输出电压为负时一直导通对电感L2进行充电。

1．2 模态分析
Buck／Boost单级逆变器运行于半周期模式。所谓半周期模式是指单个DC／DC基本电路单元只在一半的输出电流周期内工作，而整个组合电路在一个周期内输出一个完整的正弦交流电。半周期模式是一种无环流的运行模式，有利于降低器件的电流应力和减小损耗。
为方便说明先做如下假设：电路已经进入稳态；所有功率电子器件均为理想器件；电感、电容为理想储能元件；电感L1=L2；输入电压恒定，且输入分压电容均压。由于Buck／Boost电路的输入输出反极性，所以在输出电流大于零的正半周，第二Buck／Boost电路工作，第一Buck／Boost电路不工作。此时电路包括两个工作模态：
1．1．1 工作模态I
如图2(a)所示，功率开关管S3开通，电感L2的电流iL2线性上升。此时续流二极管D4承受反压截止，续流支路S4、D4无电流流过，负载由输出电容供电。电路方程为

1．1．2 工作模态II
如图2(b)所示，功率开关管S3关断，电感电流iL2从续流支路S4、D4续流，给电容和负载供电，线性下降。电路方程为

设S3的导通时间为DT，那么续流支路的续流时间为(1-D)T。则式(1)和式(2)可化为

稳态时电感电流纹波保持不变，由此可得

在输出电流小于零的负半周，第一Buck／Boost电路工作，第二Buck／Boost电路不工作。
1．1．3 工作模态III
如图2(c)所示，功率开关管S1开通，电感，L1的电流iL1线性上升。此时续流二极管D2承受反压截止，续流支路S2、D2无电流流过，负载由输出电容供电。电路方程为

1．1．4 工作模态IV
如图2(d)所示，功率开关管S1关断，电感电流iL1从续流支路S2、D2续流，给电容和负载供电，线性下降。电路方程为

　

同理设S1的导通时间为D′T，续流支路的续流时间为(1-D′)T，可得稳态时输入输出电压增益为

由式(6)和式(9)可知，稳态工作时，两组电路的输入输出电压增益是相同的，又共有一个输出电压Uo，所以有D=D′。因此，稳态时应保证两组电路的占空比大小相等。

2 Buck／Boost逆变器的控制方案
电流瞬时值控制技术由于输出电压波形质量好，控制简单及动态响应快等优点得到了广泛的应用。电流瞬时值控制技术主要有滞环电流瞬时值控制和固定开关频率电流瞬时值控制。由于采用固定开关频率电流瞬时值控制的逆变器，滤波器的选择比较容易，而且外特性也较好。因此，Buck／Boost逆变器采用固定开关频率的电流瞬时值控制技术。它的基本思想是：电压基准和反馈电压的误差经电压调节器后作为电流基准，电流基准和反馈电流的误差经比例放大与三角载波进行交截，得到正弦脉宽调制(SPWM)信号来控制器件的导通和关断，以保证输出电压稳定。
结合采用半周期运行模式所需要的控制逻辑，可以得到如图3所示的控制框图。

3 仿真分析与实验验证
运用Saber软件对Buck／Boost单极逆变器进行仿真。参数为：电感L1=L2=200μH，Cf=35μF，输入电压Uin=70V，输出电压uo=100sinωt，额定输出功率Po=260W，输出频率fo=50Hz，开关频率fs=50kHz。图4给出了仿真的关键波形。图4(a)表明Buck／Boost单极逆变器实现了升压逆变，图4(b)表明电感电流在合理的范围之内，这是由于电路运行在半周期模式，不存在环流。

为了进一步验证Buck／Boost单极逆变器的实际性能，制作了一台原理样机。参数与仿真参数相同。表1给出了在输人电压Uin=70V，带不同负载时的实验数据。从表1可以看出，当输入电压相同时，随着负载的变化，输出电压有所上升，但THD变小。这说明系统的稳态性能不够理想，这是因为Buck／Boost变换器是具有右半平面零点的非最小相位系统，而非最小相位系统不易用线性的方法进行控制。

图5为满载时输入电压Uin输出电压uo，上桥臂中点电压ub1和电感电流iL=(iL=iL1+iL2)的实验波形。可见实验结果和仿真基本上是一致的。

4 结语
研究了一种Buck／Boost单极逆变器，详细分析了其工作原理，并给出了采用固定开关频率电流瞬时值控制时的实现方案。由于Buck／Boost单级逆变器运行于半周期模式，电路中不存在环流，这有利于降低器件的电流应力和提高效率。对Buck／Boost单极逆变器进行了仿真和实验，结果表明Buck／Boost单极逆变器成功实现了升压逆变的功能。