陳亦文，江加輝，邱琰輝，陳道煉

（福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（福州大學(xué)），福州350116）

單相電流型PWM逆變技術(shù)綜述

陳亦文，江加輝，邱琰輝，陳道煉

（福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（福州大學(xué)），福州350116）

在分析了傳統(tǒng)單相電流型PWM逆變器固有缺陷的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了從電路拓?fù)?、控制策略等方面提出的多種解決其缺陷的方案，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例與特點(diǎn)，獲得了重要結(jié)論。電路拓?fù)浞矫娴慕鉀Q方案包括差動(dòng)雙向Boost直流變換器型逆變器、組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器、附加反激AC-DC能量回饋電路的單相電流型高頻環(huán)節(jié)逆變器等，具有滿足Boost變換器控制規(guī)律、電路復(fù)雜、損耗大等特點(diǎn)；控制策略方面的解決方案包括具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的非線性調(diào)制控制策略和無(wú)源性控制策略等，具有輸出波形質(zhì)量高、儲(chǔ)能電感大等特點(diǎn)；電路拓?fù)浜涂刂撇呗詢煞矫娴慕鉀Q方案包括輸入側(cè)串并聯(lián)諧振器的單相電流型逆變器、具有儲(chǔ)能電感電流限定非線性PWM單周期控制單相電流型逆變器等，具有輸出波形質(zhì)量高、儲(chǔ)能電感小、變換效率高等特點(diǎn)。

逆變器；電流型；PWM；單相

電流型變換器具有升壓特性，負(fù)載短路時(shí)可靠性高，由于儲(chǔ)能電感位于輸入側(cè)，存在輸入電流脈動(dòng)小、對(duì)電源產(chǎn)生的電磁干擾EMI（electromagnetic interference）小、輸入電流易于控制等特點(diǎn)，故在DCDC、AC-DC、AC-AC變換中獲得了廣泛的應(yīng)用［1-3］，但在DC-AC變換中的應(yīng)用卻處于探索之中。

對(duì)于三相電流型逆變場(chǎng)合，由于可以將每個(gè)工頻輸出周期內(nèi)的電網(wǎng)電壓以過(guò)零點(diǎn)為邊界劃分成6個(gè)60°區(qū)間，在任意一個(gè)60°區(qū)間內(nèi)均存在線電壓值大于或等于輸入電壓的兩路輸出線電壓，使逆變器在任意一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)均滿足Boost電路的工作規(guī)律，可獲得高質(zhì)量輸出波形，故三相電流型逆變器的研究已取得了較好的成果［4］；而在單相逆變場(chǎng)合，由于每個(gè)工頻輸出周期內(nèi)總存在輸出電壓低于輸入電壓的工作區(qū)間，這些工作區(qū)間內(nèi)逆變器儲(chǔ)能電感無(wú)法去磁，故不滿足Boost變換器的工作規(guī)律，導(dǎo)致逆變器儲(chǔ)能電感值大，輸出波形嚴(yán)重畸變和變換效率低等固有缺陷。

本文在分析了傳統(tǒng)單相電流型正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）逆變器存在的固有缺陷的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地論述了從電路拓?fù)洹⒖刂撇呗缘确矫嫠岢龅亩喾N解決其固有缺陷的方案，獲得了重要結(jié)論。

1 傳統(tǒng)單相電流型SPWM逆變器的固有缺陷

傳統(tǒng)單相電流型逆變器及其正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM控制策略如圖1所示。其中，圖1（b）、（c）分別為輸出低頻正半周每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)DTs期間的充磁模態(tài)和(1-D)Ts期間的饋能模態(tài)。

圖1 傳統(tǒng)單相電流型逆變器及其SPWM控制策略Fig.1 Traditional single-phase current mode inverter and SPWM control strategy of the inverter

這種變換器采用SPWM控制策略時(shí)，逆變器的儲(chǔ)能占空比D即為圖1（d）所示的SPWM信號(hào)QSPWM，|un|＞Ui期間（t1～t2、t3～t4），任意一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)均存在儲(chǔ)能電感L的充磁階段（DTs期間）和去磁階段（（1-D）Ts期間），滿足Boost電路的控制要求，即un、in越大，儲(chǔ)能占空比D也越大，饋能占空比1-D（逆變橋輸出側(cè)調(diào)制電流im的占空比）越小，電壓傳輸比也越大；|un|＜Ui期間（t0～t1、t2～t3、t4～t5），任意一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)儲(chǔ)能電感L始終處于充磁狀態(tài)，而無(wú)去磁狀態(tài)，iL=im持續(xù)上升，導(dǎo)致輸出電流波形畸變嚴(yán)重、儲(chǔ)能電感易于磁飽和，不滿足Boost電路的控制要求，無(wú)法獲得正弦輸出電流。

與電壓型逆變器相比，電流型逆變器具有如下特點(diǎn)：①單級(jí)升壓特性，可通過(guò)控制儲(chǔ)能電感的充磁時(shí)間來(lái)控制輸入直流側(cè)電流，實(shí)現(xiàn)從弱光能至強(qiáng)光能全過(guò)程的利用；②對(duì)輸出電流直接控制，實(shí)現(xiàn)MPPT更方便可靠，而電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)MPPT時(shí)容易引起直流母線崩潰、降低可靠性；③儲(chǔ)能元件為電感，系統(tǒng)壽命要比儲(chǔ)能元件為電解電容的電壓型逆變器長(zhǎng)；④過(guò)流時(shí)易得到及時(shí)保護(hù)，系統(tǒng)的可靠性高。隨著雙向可阻斷IGBT等新型器件的出現(xiàn)，電流型逆變器中串聯(lián)的二極管不再必需，可以解決阻斷二極管的損耗問(wèn)題。

因此，單相電流逆變技術(shù)引起了人們的研究興趣，分別從電路拓?fù)?、控制策略等方面提出了多種解決方案。

2 電路拓?fù)浞矫娴慕鉀Q方案

2.1 差動(dòng)雙向Boost直流變換器型逆變器

文獻(xiàn)［5］提出了一種差動(dòng)雙向Boost直流變換器型逆變器新思路，其電路拓?fù)浼翱刂撇呗匀鐖D2所示。這種逆變器是將兩個(gè)相同的雙向Boost直流變換器輸入端并聯(lián)、輸出端反向串聯(lián)，采用圖2（b）、（c）所示的獨(dú)立控制和互補(bǔ)控制策略，為實(shí)現(xiàn)單相電流型逆變開(kāi)辟了一條途徑［5、6］。

圖2 差動(dòng)雙向Boost直流變換器型逆變器及其控制策略Fig.2 Circuit topology and control strategy of the diferential bidirectional Boost DC-DC converter mode inverter

獨(dú)立控制策略是以兩個(gè)雙向Boost直流變換器輸出電壓uo1、uo2為控制對(duì)象，對(duì)應(yīng)的占空比D1、D2相互獨(dú)立，uo1、uo2按具有相同直流偏置的反相低頻正弦脈動(dòng)規(guī)律變化，兩個(gè)儲(chǔ)能電感電流iL1、iL2按具有相同直流偏置的反相低頻非正弦脈動(dòng)規(guī)律變化；互補(bǔ)控制策略是以逆變器的輸出正弦電壓uo為控制對(duì)象，兩個(gè)雙向Boost直流變換器的占空比互補(bǔ)，即D1+D2=1，uo1和uo2、iL1和iL2均按具有相同直流偏置的反相低頻非正弦脈動(dòng)規(guī)律變化。

與獨(dú)立控制策略相比，采用互補(bǔ)控制策略時(shí)逆變器具有占空比變化范圍小、功率開(kāi)關(guān)電壓和電流應(yīng)力小、輸入電流和輸出電壓紋波小、變換效率高、適用于輸入電壓變化范圍大的場(chǎng)合等特點(diǎn)。這種逆變器的主要不足是，兩個(gè)雙向Boost直流變換器同時(shí)工作，二者之間的環(huán)流使變換效率不夠理想。

2.2 組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器

文獻(xiàn)［7］提出了一種組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器，如圖3所示。在單相電流型逆變器的基礎(chǔ)上增添了一個(gè)功率開(kāi)關(guān)S0和一個(gè)續(xù)流二極管Ds，根據(jù)un與Ui的相對(duì)大小通過(guò)不同功率開(kāi)關(guān)的組合控制能工作在Boost、Buck或Buck-Boost三種模式下，為了使逆變器平穩(wěn)地進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能電感工作于斷續(xù)電流模式DCM（discontinuous current mode）模式且利用每個(gè)開(kāi)關(guān)周期輸入、輸出平均功率的平衡來(lái)計(jì)算調(diào)制函數(shù)。

圖3 組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器Fig.3 Combined Boost/Buck/Buck-Boost inverter

當(dāng)逆變器工作于Boost模式或Buck-Boost模式的DTs期間時(shí)，iL的流通路徑是由Ui、S0、L、S1和S2構(gòu)成的充磁回路，或由Ui、S0、L、S3和S4構(gòu)成的充磁回路；當(dāng)工作于Boost模式的 （1-D）Ts期間時(shí)或Buck模式的DTs期間時(shí)，iL的流通路徑是由Ui、S0、L、S1和S4構(gòu)成的饋能回路，或由Ui、S0、L、S2和S3構(gòu)成的饋能回路；工作于Buck模式或Buck-Boost模式的（1-D）Ts期間時(shí)，iL的流通路徑是由Ds、L、S1和S4構(gòu)成的續(xù)流回路，或由Ds、L、S2和S3構(gòu)成的續(xù)流回路；若L斷流，所有功率開(kāi)關(guān)都無(wú)電流通過(guò)，Cf維持輸出電流。

當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓的峰值時(shí)，組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器根據(jù)輸入、輸出電壓的大小關(guān)系將逆變器的開(kāi)關(guān)方式進(jìn)行組合控制。按照不同的開(kāi)關(guān)組合，逆變器的工作方式存在4種情況：①交替于Buck模式和Boost模式下，其控制策略如圖3（b）所示；②交替于Buck-Boost模式和Boost模式下；③交替于Buck模式和Buck-Boost模式下；④工作于Buck-Boost模式下。

文獻(xiàn)［7］給出一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，額定功率500 W，Ui=100 V/200 V，un=220 V（50 Hz），fs=10 kHz，L= 0.61 mH，電感電流DCM模式。這種方案改善了輸出電流波形，但未給出技術(shù)性能指標(biāo)，附加的功率開(kāi)關(guān)、續(xù)流二極管損耗大，降低了變換效率。因此，這種方案是以增加電路復(fù)雜性和降低變換效率為代價(jià)的。

2.3 附加反激AC-DC能量回饋電路的單相電流型高頻環(huán)節(jié)逆變器

文獻(xiàn)［8］提出了一種附加反激AC-DC能量回饋電路的單相電流型高頻環(huán)節(jié)逆變器，如圖4所示。該逆變器采用電壓瞬時(shí)值反饋移相控制策略，其反激式AC-DC變換器是在輸出電壓下降且|uo|≤UiN2/N1時(shí)工作在DCM模式，通過(guò)能量回饋確保輸出波形質(zhì)量。

由圖4（b）可知，當(dāng) uo下降且uo|≤UiN2/N1時(shí)，誤差放大信號(hào)ue＜0，主功率電路不工作，反激式能量回饋電路工作，將輸出無(wú)功能量回饋到輸入側(cè)，確保輸出正弦波形質(zhì)量；其余期間，ue＞0、-ue＜0，主功率電路工作，反激式能量回饋電路不工作。這種方案是以增加電路的復(fù)雜性為代價(jià)。

圖4 附加反激AC-DC能量回饋電路的單相電流型高頻環(huán)節(jié)逆變器Fig.4 Single-phase current mode high frequency link inverter with flyback mode AC-DC energy feedback circuit

3 控制策略方面的解決方案

3.1 具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的非線性調(diào)制控制策略

為了解決傳統(tǒng)的單相電流型逆變器輸出波形畸變嚴(yán)重的問(wèn)題，文獻(xiàn)［9］提出了一種非線性調(diào)制控制策略，如圖5所示。該控制策略是在控制電路中加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)產(chǎn)生非線性PWM調(diào)制函數(shù)，目的是為了消除改進(jìn)SPWM開(kāi)環(huán)控制時(shí)輸出電流波形中的主要諧波分量3次諧波。

文獻(xiàn)［9］給出一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，額定功率Po=870 W，Ui=80 VDC，Uo=220 V（50 Hz），fs=20 kHz，變換效率87.0%，輸出電流波形THD由原22.63%降低到4.42%，但儲(chǔ)能電感值仍高達(dá)21 mH。

3.2 無(wú)源性控制策略

為了改善傳統(tǒng)單相電流型逆變器的輸出波形質(zhì)量，文獻(xiàn)［10］提出了一種無(wú)源性控制策略，如圖6所示。通過(guò)預(yù)估負(fù)載電阻RL和儲(chǔ)能電感電流的參考值iLr來(lái)進(jìn)一步生成調(diào)制函數(shù)d（t），以獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形。文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)實(shí)例中，額定輸出功率240 W，Ui=48 VDC，Uo=110 V 50 Hz，fs=10 kHz，L=10 mH，RL=50 Ω，輸出電壓波形 THD= 1.64%，未給出變換效率。

圖6 單相電流型逆變器無(wú)源性控制策略Fig.6 Passivity-based control strategy of the singlephase current mode inverter

4 電路拓?fù)浜涂刂撇呗詢煞矫娴慕鉀Q方案

4.1 輸入側(cè)串并聯(lián)諧振器的單相電流型逆變器

為了解決傳統(tǒng)單相電流型逆變器存在的固有缺陷，文獻(xiàn)［11］提出了一種輸入側(cè)串并聯(lián)諧振器的單相電流型逆變器及其含比例諧振PR（proportion-al resonant）調(diào)節(jié)器的輸出電流外環(huán)和濾波電容電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制策略，如圖7所示。

圖7 輸入側(cè)串并聯(lián)諧振器的單相電流型光伏逆變器Fig.7 Single-phase current mode PV inverter with the parallel resonator in series on the input side

該方案是在傳統(tǒng)的電路拓?fù)涞妮斎雮?cè)串聯(lián)了一個(gè)并聯(lián)諧振器，并聯(lián)諧振器對(duì)2倍、4倍頻率點(diǎn)發(fā)生并聯(lián)諧振，大大增加輸入側(cè)阻抗，消除了輸入側(cè)2倍頻、4倍頻低頻電流諧波分量；控制系統(tǒng)采用含PR調(diào)節(jié)器的輸出濾波電容電壓、并網(wǎng)電流反饋控制策略,PR調(diào)節(jié)器的作用是針對(duì)并網(wǎng)電流基波頻率產(chǎn)生無(wú)窮大的增益，以消除并網(wǎng)電流基波的穩(wěn)態(tài)誤差。這種方案較好地解決了輸出電流波形畸變和輸入電流低頻脈動(dòng)大的問(wèn)題。

文獻(xiàn)［11］給出的設(shè)計(jì)實(shí)例中，額定容量500 W，Ui=80 VDC（光伏開(kāi)路電壓），Un=110 V（50 Hz），fs=4 kHz，L=5 mH，L1=10 mH，L2=5 mH，C1=125 μF，C2=250 μF。此文中僅提供了Un=55 V（50 Hz）、Po=80 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，輸出電流THD=2%，輸入電流較平穩(wěn)，但未給出變換效率。

4.2 具有儲(chǔ)能電感電流限定非線性PWM單周期控制的單相電流型逆變器

為了克服傳統(tǒng)單相電流型逆變器存在的固有缺陷，文獻(xiàn)［12］提出了一種具有儲(chǔ)能電感電流限定非線性PWM單周期控制的單相電流型逆變器，如圖8所示。

圖8 具有儲(chǔ)能電感電流限定非線性PWM單周期控制單相電流型逆變器Fig.8 Single-phase current mode inverter of nonlinear PWM one-cycle control strategy with limited storage inductance current

這種方案是通過(guò)檢測(cè)并反饋調(diào)制電流im（饋能時(shí)im=iL），適時(shí)地調(diào)整饋能占空比1-D的大小并輸出高質(zhì)量的電流波形。為了保證儲(chǔ)能電感電流iL連續(xù)，且避免iL過(guò)大，控制系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)能電感電流的閾值I*L。當(dāng)iL＜I*L時(shí)，逆變器工作在DTs期間L通過(guò)直通橋臂的充磁狀態(tài)和（1-D）Ts期間L對(duì)電網(wǎng)的饋能狀態(tài)，稱為Boost工作方式；當(dāng)iL＞I*L時(shí)，逆變器工作在DTs期間L通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)S0的續(xù)流狀態(tài)和（1-D）Ts期間L對(duì)電網(wǎng)的饋能狀態(tài)，稱為續(xù)流工作方式。逆變器增添的續(xù)流模態(tài)本質(zhì)上是起到對(duì)1-D與升壓比的關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用，一個(gè)低頻輸出周期內(nèi)，隨著|un|的下降，續(xù)流模態(tài)增多。設(shè)置閾值I*L時(shí)，主要考慮在保證整個(gè)輸出周期逆變器具有足夠的升壓比，使儲(chǔ)能電感電流連續(xù)的同時(shí)，還要盡量降低器件和線路的損耗。

文獻(xiàn)［12］給出的設(shè)計(jì)實(shí)例中，額定容量1 kW，Ui=98-122 VDC，Un=220 V 50 Hz，fs=50 kHz，L=1 mH，Cf=9 μF,Lf=0.5 mH，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，滿載時(shí)效率為87%、輸出電流THD=2%。該逆變器通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)S0導(dǎo)通的續(xù)流模態(tài)對(duì)儲(chǔ)能電感電流進(jìn)行主動(dòng)控制，使儲(chǔ)能電感值及其電流小、輸出波形質(zhì)量高、變換效率高和輸出濾波器小。與同類技術(shù)相比較，所提出的逆變器獲得了最優(yōu)的綜合性能指標(biāo)，由于逆變器的主要損耗是5個(gè)功率開(kāi)關(guān)及其阻斷二極管的通態(tài)損耗和儲(chǔ)能電感的鐵耗及銅耗，因此隨著逆阻型IGBT等雙向可阻斷功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，這種逆變器將無(wú)需串聯(lián)阻斷二極管，其變換效率可得到進(jìn)一步大幅提升。

5 結(jié)論

（1）在論述了傳統(tǒng)單相電流型SPWM逆變器存在的固有缺陷基礎(chǔ)上，綜述了解決其固有缺陷的多種電路拓?fù)?、控制策略方面的方案?/p>

（2）從電路拓?fù)浞矫嫣岢龅牟顒?dòng)雙向Boost直流變換器型逆變器、組合式Boost/Buck/Buck-Boost逆變器和附加反激AC-DC能量回饋電路的單相電流型高頻環(huán)節(jié)逆變器均滿足Boost電路的控制規(guī)律，能獲得高質(zhì)量的輸出波形，但增加了電路的復(fù)雜性和損耗；從控制策略方面提出的非線性調(diào)制控制單相電流型逆變器和無(wú)源性控制單相電流型逆變器均降低了逆變器輸出波形的THD，但其儲(chǔ)能電感仍較大。

（3）從電路拓?fù)浜涂刂撇呗苑矫嫣岢龅妮斎雮?cè)串并聯(lián)諧振器的單相電流型逆變器和具有儲(chǔ)能電感電流限定非線性PWM單周期控制單相電流型逆變器兩種解決方案，前者一定程度上降低了儲(chǔ)能電感、減小了輸入電流的低頻脈動(dòng)和輸出波形的THD，但增加了2個(gè)諧振電感和2個(gè)諧振電容；后者顯著降低了儲(chǔ)能電感、減小了輸出波形的THD并提高了逆變器的變換效率。

（4）隨著雙向可阻斷IGBT等新型器件的出現(xiàn)，電流型逆變器中的阻斷二極管不再必需，變換效率將得到進(jìn)一步提升。

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Review of Single-phase Current Mode PWM Inverting Technologies

CHEN Yiwen，JIANG Jiahui，QIU Yanhui，CHEN Daolian
（Fujian Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion,Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）

Based on the analysis of the inherent defects of the traditional single-phase current mode pulse width modulation（PWM）inverter,multiple solutions of the defects from aspects of the circuit topology and control strategy are systematically discussed,the design instance and are provided,and important conclusions are obtained.The solutions of circuit topology including such as differential bidirectional Boost DC-DC converter mode inverter,combined Boost/Buck/ Buck-Boost inverter,and the single-phase current mode high frequency link inverter with additional flyback AC-DC energy feedback circuit has the characteristics of Boost converter control law,complex circuit,large loss,etc;the solutions of control strategy including such as nonlinear modulation control strategy with compensation link,passive control strategy has the characteristics of high quality of output waveform,large energy storage inductor,etc;the solutions of circuit topology and control strategy including such as the single-phase current inverter with the resonators in serial and parallel of input side,nonlinear PWM one-cycle controlled single-phase current mode inverter with limited energy storage inductor current has the characteristics of high quality of output waveforms,small energy storage inductor, and high conversion efficiency,etc.

inverter;current mode;pulse width modulation（PWM）;single-phase

陳亦文

夏焰坤

陳亦文（1977-），女，通信作者，博士，講師，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：fzucyw@163.com。

江加輝（1989-），男，博士研究生，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：N120 120051@fzu.edu.cn。

邱琰輝（1988-），男，博士研究生，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：qyh522 @sina.com。

陳道煉（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子，E-mail：chendaolian@sina.com

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.111

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2015-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目：新能源集成發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究（51537001）

Project Supported by the State Key Program of National Natural Science of China：Basic Research on Key Technology of New Energy Integrated Generation System（51537001）