念 平 林瓊斌

（福州大學(xué)，福州 350116）

雙Buck半橋逆變器混合PWM控制策略

念 平 林瓊斌

（福州大學(xué)，福州 350116）

本文研究一種雙Buck半橋逆變器的混合PWM控制策略。該P(yáng)WM控制策略使逆變器工作在半周期調(diào)制，通過(guò)判斷電感的工作狀態(tài)來(lái)確定電路的控制模式。在電感電流連續(xù)模式（CCM）時(shí)逆變器采用電壓電流雙環(huán)控制。而在電感電流斷續(xù)模式（DCM）時(shí)，通過(guò)分析出電感電流斷續(xù)工作時(shí)的占空比和連續(xù)工作時(shí)占空比的映射關(guān)系，使得逆變器在線性連續(xù)工作區(qū)和強(qiáng)非線性的斷續(xù)工作區(qū)均能良好地跟蹤給定值，減小了雙Buck半橋逆變器在半周期脈寬調(diào)制下的波形畸變問(wèn)題。

雙降壓半橋逆變器；半周期調(diào)制；混合控制；波形畸變

雙Buck半橋逆變器（DBHBI）是一種具有高可靠性的逆變器[1]。按照開關(guān)頻率是否固定劃分，它的控制方式可以分為PWM控制和滯環(huán)控制。按照電感電流工作時(shí)間劃分，它的控制方式可以分為全周期調(diào)制和半周期調(diào)制。

PWM控制在全橋逆變器中廣泛的應(yīng)用，是一種恒頻的線性控制，電路參數(shù)易于設(shè)計(jì)。雙Buck半橋逆變器的PWM控制策略有全周期正弦脈寬調(diào)制（FC-SPWM）和半周期正弦脈寬調(diào)制（HC-SPWM）兩種。FC-SPWM的兩個(gè)開關(guān)管在整個(gè)工頻周期內(nèi)均為高頻工作，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電感都有電流且連續(xù)[2]。這種調(diào)制方式存在環(huán)流問(wèn)題，并且增加了功率管損耗和濾波電感損耗，降低了系統(tǒng)效率。與FC-SPWM相比，無(wú)偏置電流的半周期調(diào)制方式（HCM）是一種高效，高可靠性的調(diào)制方式[3]。在任一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)只有一個(gè)開關(guān)管工作，任意時(shí)刻只有一個(gè)電感有電流，兩支電感工頻半周獨(dú)立工作，具有更高的系統(tǒng)效率。

對(duì)于雙Buck半橋逆變器，采用HC-SPWM時(shí)，在電感電流斷續(xù)情況下輸出電壓波形存在嚴(yán)重畸變，并且波形畸變因負(fù)載大小而變動(dòng)。因而給控制上帶來(lái)了很大的難度。文獻(xiàn)[7]中對(duì)的雙降壓全橋逆變器進(jìn)行研究，采用HC-SPWM時(shí)并網(wǎng)電流電流由于電感電流斷續(xù)引起畸變，使得并網(wǎng)電流波形質(zhì)量變得很差。文中提出了重復(fù)控制來(lái)降低電流畸變率。但是重復(fù)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很慢，影響了逆變器的動(dòng)態(tài)性能。

具有非線性控制性質(zhì)的的滯環(huán)控制在雙降壓逆變器族中得到廣放的應(yīng)用[4-6]。但是滯環(huán)控制存在開關(guān)頻率變動(dòng)范圍大，輸出電壓諧波頻譜寬，濾波器難以設(shè)計(jì)，適用功率級(jí)別小等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)雙Buck半橋逆變器采用HC-SPWM時(shí)的波形畸變問(wèn)題，提出了基于電感電流連續(xù)和斷續(xù)分別控制的混合控制算法。推導(dǎo)了電感電流斷續(xù)時(shí)算法公式，以及兩種控制算法的切換條件與切換方式。該算法將非線性的輸入輸出關(guān)系映射為線性關(guān)系，從而能夠通過(guò)線性的控制方式來(lái)達(dá)到很好的控制效果。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方式的可行性。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 電感兩種工作狀態(tài)下的占空比關(guān)系

雙Buck半橋逆變器在半周期調(diào)制時(shí)，電感電流存在斷續(xù)的工作狀態(tài)，電感電流斷續(xù)會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生較大的波形畸變。因此，分析電感電流連續(xù)和斷續(xù)工作時(shí)的電路關(guān)系是十分必要的。

首先求出電感電流連續(xù)時(shí)的占空比表達(dá)式。以正半周工作為例，電感電流連續(xù)工作時(shí)，如圖1所示，雙Buck半橋逆變電路只有模態(tài)1和模態(tài)2兩種模態(tài)，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸入輸出之間的關(guān)系是線性的。有如下表達(dá)式：

式中，Ud為直流輸入電壓；Uo逆變輸出電壓的開關(guān)周期平均值；Dccm為逆變器的電感電流連續(xù)工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)占空比。

而電感電流斷續(xù)工作時(shí)，電路還存在第三種模態(tài)，如圖1（c）所示，此時(shí)電感電流斷流，只有電容對(duì)負(fù)載傳輸能量。

圖1 雙降壓半橋逆變器存在的3種模態(tài)

電感電流斷續(xù)時(shí)，如圖2所示，二號(hào)實(shí)線為斷續(xù)電感電流，IL為電感電流開關(guān)周期平均值（在正半周時(shí)IL=IL1，負(fù)半周則IL=IL2），對(duì)應(yīng)的占空比為斷續(xù)模式占空比Ddcm；一號(hào)虛線為連續(xù)電感電流，對(duì)應(yīng)占空比為Dccm；三號(hào)虛線為臨界電感電流，ILb為臨界電感電流平均值，對(duì)應(yīng)的占空比為臨界模式占空比Dbccm，此時(shí)它的峰值為2ILb。

圖2 DCM時(shí)的IL與ILb的關(guān)系

由于電感電流連續(xù)時(shí)，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的占空比Dccm的求解條件與臨界模式占空比Dbccm的近似相同，因此有Dccm≈Dbccm。

根據(jù)三角的比例與面積關(guān)系可得，電感電流斷續(xù)時(shí)的占空比與臨界時(shí)的占空比的關(guān)系表達(dá)式如下：

則電感電流斷續(xù)時(shí)的占空比為

其中，臨界電感電流可由下式求得

式中，Uo_ref為指令逆變輸出電壓；L為電感值，L1=L2=L；fs為開關(guān)頻率。

可以看到，電感電流斷續(xù)時(shí)的占空比與臨界時(shí)占空比之間存在一個(gè)系數(shù)關(guān)系，而這個(gè)系數(shù)是個(gè)非線性的。通過(guò)這個(gè)表達(dá)式，可以通過(guò)求出ILb，采樣得到IL，以及電感電流連續(xù)時(shí)的穩(wěn)態(tài)占空比Dccm，即可得到斷續(xù)工作模式時(shí)的占空比Ddcm。

1.2 基于CCM/DCM混合控制算法的雙環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖3所示，該閉環(huán)控制系統(tǒng)為電壓電流雙環(huán)控制與混合控制模式結(jié)合。在系統(tǒng)判定電感電流連續(xù)時(shí)，即當(dāng)|IL|≥|ILb|時(shí)，電路進(jìn)行正常的雙環(huán)控制；而在系統(tǒng)判定電感電流斷續(xù)時(shí)，即當(dāng)|IL|≤|ILb|時(shí)，電路同樣進(jìn)行雙環(huán)控制，閉環(huán)輸出的占空比通過(guò)非線性的映射關(guān)系得到最終的占空比控制量。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

由于前文推導(dǎo)出來(lái)的占空比解析解，與電感感量和電感電流，輸出電壓等關(guān)系密切。然而因?yàn)殡娐穮?shù)分散性，無(wú)法精確獲得上述數(shù)據(jù)，所以本文中電感電流采用采樣值疊加上電壓誤差反饋?zhàn)鳛檠a(bǔ)償量，從而可以減少電流采樣值與實(shí)際值之間的誤差。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

仿真所用參數(shù)為：輸入直流母線電壓Ud為360V，逆變電壓輸出為220V/50Hz，額定功率為1000W，Cf=12μF，L1=L2=1500μH，開關(guān)頻率為20kHz。

仿真采用PSIM電力電子仿真軟件。為作對(duì)比分析，圖4為雙降壓半橋逆變器半周期SPWM調(diào)制時(shí)，采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器，負(fù)載分別為滿載，半載和空載的仿真波形。

圖4 采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器仿真波形

可以看到，在各種負(fù)載情況下的逆變輸出均有一定畸變，這些畸變均在電感電流斷續(xù)工作時(shí)引起。其THD分別為10.2%（滿載）、7.7%（半載）和10.06%（空載）。

圖5 采用混合控制策略的仿真波形

圖5 （a）為采用混合控制策略時(shí)的uo、io、uA和uB的仿真波形。由仿真波形可見，逆變輸出電壓正弦度高（滿載時(shí)的THD為0.9%），沒(méi)有了半周期SPWM調(diào)制的波形畸變問(wèn)題。圖5（b）為對(duì)應(yīng)的兩個(gè)開關(guān)管占空比Ds1和Ds2，以及占空比Dccm，斷續(xù)與連續(xù)的判斷標(biāo)志Flag?？梢姡贔lag=0時(shí)，電感電流連續(xù)，正半周時(shí)有Ds1=Dccm，負(fù)半周有Ds2= Dccm。而在Flag=1時(shí)，電感電流斷續(xù)期間，實(shí)際占空比與Dccm呈一定的非線性關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制器采用TI的TMSF28069。實(shí)驗(yàn)用功率管為英飛凌的K15H1203，二極管為RHRP8120超快恢復(fù)二極管。直流母線電壓Ud為180V，逆變輸出電壓為110V/50Hz，額定功率為250W。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

首先對(duì)半周期PWM控制時(shí)，采用傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖6為采用HC-SPWM時(shí)的雙環(huán)PI控制，可以看到存在的明顯的波形畸變問(wèn)題。其THD分別為16.6%（滿載）、13.8%（半載）和30.4%（空載）。

圖6 采用HC-SPWM雙環(huán)PI控制的實(shí)驗(yàn)波形

圖7 所示是采用本文所提的混合控制策略，但未加入電流補(bǔ)償時(shí)帶載波形（滿載），其THD為7.2%，由于電感電流采樣存在誤差，直接使用式（4）的控制結(jié)果，仍然存在輸出電壓波形畸變，所以輸出電壓仍存在一定的畸變。

圖7 未加入電流補(bǔ)償項(xiàng)的滿載實(shí)驗(yàn)波形

圖8 所示是加入了電流補(bǔ)償?shù)幕旌峡刂撇呗缘膶?shí)驗(yàn)波形，各種負(fù)載情況下THD值分別為2.8%（滿載）、2.4%（半載）和1.1%（空載）。如圖9為在各種負(fù)載下輸出電壓的THD曲線，可以看到，輸出電壓在整個(gè)功率范圍內(nèi)均有較低的諧波畸變。

最后本文針對(duì)所提出的控制策略與全周期SPWM控制策略進(jìn)行效率上的對(duì)比。如圖10所示，可以看到在整個(gè)功率范圍內(nèi)，本文所提出的混合PWM控制策略其效率均優(yōu)于傳統(tǒng)的全周期SPWM控制策略。

圖8 加入電流補(bǔ)償項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)波形

圖9 THD曲線

圖10 效率曲線

3 結(jié)論

本文針對(duì)雙Buck逆變器采用恒頻半周期SPWM控制存在的波形畸變問(wèn)題，進(jìn)行了原理分析，并推導(dǎo)出電感電流連續(xù)和斷續(xù)情況下占空比的非線性映射關(guān)系。仿真實(shí)驗(yàn)表明所推導(dǎo)的理論和所提出的混合控制算法是有效的。在實(shí)物樣機(jī)制作與調(diào)試過(guò)程中，引入電壓誤差前饋補(bǔ)償，解決了由于采樣誤差導(dǎo)致的控制效果偏差問(wèn)題。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的方案，能有效克服輸出電壓畸變問(wèn)題，同時(shí)由于開關(guān)頻率恒定，所以比典型的電感電流滯環(huán)控制的適應(yīng)面更廣。

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Hybrid PWM Control Strategy Research for Dual-Buck Half-Bridge Inverter

Nian Ping Lin Qiongbin
(Fuzhou University, Fuzhou 350116)

The paper study a novel PWM control strategy in dual buck half bridge inverter topology. The circuit control mode of this PWM control strategy is determined by judging the working state of the inductance. In the continuous current mode (CCM), the inverter adopt voltage outer loop and current inner loop control mothod.And in the discontinuous current mode (DCM), through the analysis of mapping relationship between the discontinuous current duty ratio and continuous one, which makes makes the inverter can be a good control of the output voltage tracking a given value in linear or strong nonlinear operation mode under dual loop control method. The waveform distortion of dual buck inverter under half cycle modulation is greatly reduced.

dual buck half bridge inverter; half cycle modulation; hybrid control; waveform distortion

念 平（1990-），男，福建平潭人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮涌刂萍夹g(shù)。