組合式三相雙Buck寬變頻逆變器王慧貞單任仲洪峰嚴(yán)仰光（南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)：共用一路帶中點(diǎn)的直流電源；無(wú)橋臂直通問(wèn)題，可靠性高；可高頻率高效率運(yùn)行，有利于減小濾波器體積重量；組合式逆變器具有很強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載能力。本文首先對(duì)雙Buck逆變器進(jìn)行了研究，通過(guò)分析和理論建模得到電流環(huán)的等效模型，與以往直接將整個(gè)電流內(nèi)環(huán)等效成為比例環(huán)節(jié)不同，本文是通過(guò)對(duì)滯環(huán)比較器的作用分析入手得到系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)，通過(guò)必要的化簡(jiǎn)得到系統(tǒng)內(nèi)環(huán)可以等效為一階慣性環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)可以降階，系統(tǒng)的物理意義明確；其次對(duì)表1NBHCM模態(tài)下DBI的功率管開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)與橋臂輸出電壓狀態(tài)的關(guān)系在逆變器電路中，濾波電感電流在逆變橋輸出電壓Ui（士Ud）和輸出電壓的共同作用下而改變，忽略電感電阻以及線路電阻，有因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于輸出電壓的頻率fo，所以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，可以近似認(rèn)為輸出電壓恒定不變，設(shè)為U>，則電感電流在At內(nèi)上升A/，有在Si導(dǎo)通、關(guān)斷期間，從to到to+ti時(shí)段內(nèi)，Ui=+Ud，Al=在Si關(guān)斷、VDi導(dǎo)通期間，從t0+ti到t0+T期滯環(huán)控制型逆變器的開(kāi)關(guān)頻率入手，得到變頻輸出時(shí)濾波器參數(shù)的選取與電流滯環(huán)寬度和比較低開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，與輸出頻率無(wú)關(guān)，使輸出濾波器得到解耦設(shè)計(jì)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了輸出濾波器；比較后應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)36屮800Hz寬變頻基準(zhǔn)電壓輸出，實(shí)現(xiàn)逆變器在全頻率范圍好的輸出電壓波形目前，應(yīng)用于逆變器的調(diào)制方案主要有兩種：SPWM調(diào)制與滯環(huán)電流型調(diào)制對(duì)于雙Buck逆變器，采用半周期SPWM調(diào)制能解決環(huán)流能量問(wèn)題，但逆變器在電感電流斷續(xù)區(qū)輸出電壓波形畸變大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差滯環(huán)電流型調(diào)制方案消除了SPWM調(diào)制方案下輸出電壓波形畸變及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)三相6kVA/115V逆變器樣機(jī)進(jìn)行，輸出電流在每半個(gè)周期內(nèi)分別等于單個(gè)電感電流滯環(huán)電流兩態(tài)控制的工作原理如下：電感電流與電流基準(zhǔn)（電壓誤差信號(hào)）相減得電流誤差信號(hào)ie，ie再經(jīng)滯環(huán)比較器得到PWM信號(hào)，經(jīng)隔離放大驅(qū)動(dòng)功率管控制電感電流在設(shè)定的正負(fù)環(huán)寬內(nèi)士h）。如所示，當(dāng)ie大于正環(huán)寬（+h）時(shí)，滯環(huán)比較器輸出低電平，逆變橋輸出-1態(tài)，電感電流下降；當(dāng)ie低于負(fù)環(huán)寬（-h）時(shí)，滯環(huán)比較器輸出高電平，逆變器輸出+1態(tài)，電感電流上升，從而保持ie始終限定在正負(fù)環(huán)寬內(nèi)。

　　根據(jù)式（3），（4），可以得到逆變器的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)頻率根據(jù)電流環(huán)簡(jiǎn)化控制框，可以得到電流環(huán)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為由式（5）可以知道，滯環(huán)電流控制模式下的開(kāi)關(guān)頻率是不固定的，和母線電壓Ud、滯環(huán)寬度和輸出電壓u以及濾波電感L的值都有關(guān)系。在輸出電壓U為零時(shí)存在比較高開(kāi)關(guān)頻率1.2電流環(huán)等效模型電流環(huán)控制框圖如所示。由于滯環(huán)控制是非線性控制的一種，很難用線性系統(tǒng)的方法來(lái)分析。s+rL其中：a= 8）分析，電流環(huán)的零點(diǎn)是由負(fù)載輸出濾波電容和等效串聯(lián)電阻決定的，因此電流環(huán)的引入并不會(huì)影響傳遞函數(shù)的零點(diǎn)分布。如果rL和rc足夠小可以忽略，那么電流環(huán)的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為G（s）當(dāng)電流環(huán)的放大倍數(shù)足夠大的時(shí)候，傳遞函數(shù)的一個(gè)極點(diǎn)趨向于-1/RC，因此這個(gè)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略，而另外一個(gè)極點(diǎn)趨向于-K（A）/L，將成為主導(dǎo)極點(diǎn)從上面的分析可以得到：引入電流環(huán)可以降解由LC濾波器產(chǎn)生的諧振極點(diǎn)，而主導(dǎo)極點(diǎn)的位置受到LC濾波器中的濾波電感限制，也決定了電流環(huán)可允許的益由電流環(huán)等效控制框圖，可以得到電感電流的表達(dá)式為是非線性的滯環(huán)比較控制用描述函數(shù)替代的電流環(huán)等效控制框圖其中N（A）=nA 2'nf，A多h，M為輸入母線電壓，h為滯環(huán)寬度大小，A為電流給定基波幅值大小K（A）壓有一個(gè)Av的階躍，那么電感電流會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的輸出量Av可以簡(jiǎn)化為Av/K（A），當(dāng)電流環(huán)的放大倍數(shù)K足夠大的時(shí)候，將電感電流的表達(dá)式簡(jiǎn)化為在實(shí)際中電感的nK（A），進(jìn)一步簡(jiǎn)化為的電流環(huán)控制框圖如圖￡6所示。al Eiecnc卩此吐快。

　　電流環(huán)等效控制框圖在實(shí)際控制系統(tǒng)中，因?yàn)闇h(huán)寬度h取得很小，通常取電感電流的10%左右，可以認(rèn)為Ah，把電流環(huán)看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，有一個(gè)等效電氣時(shí)間常數(shù)L/K（A），從中可以看出影響電流環(huán)時(shí)間常數(shù)的一個(gè)重要因素就是濾波電感，濾波電感越大則電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)越大，則電流環(huán)的響應(yīng)速度越慢，反之則時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)速度越2LC濾波器解耦設(shè)計(jì)3三相寬變頻基準(zhǔn)產(chǎn)生本文應(yīng)用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320LF2407A和D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618A產(chǎn)生三相寬變頻基準(zhǔn)信號(hào)，寬變頻逆變器的基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出電壓的波形質(zhì)量非常重要，產(chǎn)生頻率精度高、失真度小的三相寬變頻基準(zhǔn)是本系統(tǒng)研宄的一個(gè)重要方面利用數(shù)字處理信號(hào)處理芯片通過(guò)查表指令和D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)正弦基準(zhǔn)輸出。修改定時(shí)該逆變器的輸出頻率范圍是360-保證在該頻率范圍內(nèi)都能得到很好的輸出波形質(zhì)量，濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的難度通過(guò)前面的分析得到逆變器的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)頻率比較大和比較小開(kāi)關(guān)頻率分別為逆變器輸出的諧波頻率直接與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，比較低次諧波頻率也就是比較低開(kāi)關(guān)頻率，為了保證濾波器的濾波效果，濾波器的諧振頻率須遠(yuǎn)小于比較低次諧波頻率。確定了濾波器的諧振頻率/之后，只需再確定電感或電容的大小就能確定濾波器的參數(shù)。由于本逆變器采用電感電流滯環(huán)控制，濾波電感的大小直接影響逆變器的開(kāi)關(guān)頻率/s，為了提高比較低次諧波頻率就必須減小濾波電感，由上節(jié)推導(dǎo)的結(jié)果可知，濾波電感越小電流環(huán)響應(yīng)越快，但減小濾波電感會(huì)使電感中的電流脈動(dòng)增加，電感的磁滯損耗也會(huì)相應(yīng)的增加，同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)平均開(kāi)關(guān)頻率增加，這對(duì)系統(tǒng)的效率和可靠性都是不利的，因此濾波電感的選取范圍就縮小了很多。

　　根據(jù)本逆變器的主要參數(shù)：360V；輸出電壓= 115V；輸出頻率/= 360-800Hz；輸出功率Po=2kVA設(shè)計(jì)本逆變器的比較低開(kāi)關(guān)頻率為/s=電感電流脈動(dòng)取20%的額定負(fù)載電流，可以確定環(huán)寬的大小為h=3.4，代入式（14），確定濾波電感的大小為243PH為了盡可能減小濾波器的體積，取濾波器的諧振頻率為比較低次諧波的四分之一，根據(jù)濾波器的諧振頻率本逆變器實(shí)際LC濾波器的參數(shù)為：L器周期中斷和正弦表大小相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)變頻輸出將整個(gè)寬變頻范圍360-800Hz分為360-500Hz，500-650Hz，650-800Hz三個(gè)頻率段，對(duì)應(yīng)建立3個(gè)不同大小的正弦表，然后再通過(guò)修改定時(shí)器周期中斷頻率來(lái)得到寬變頻輸出，這樣既能保證中斷頻率不會(huì)相差太大，又使可調(diào)節(jié)的頻率精度有所提高。

　　4仿真與實(shí)驗(yàn)分析4.1仿真采用Saber仿真軟件對(duì)本文的組合式三相雙Buck逆變器進(jìn)行了仿真，仿真條件為阻性滿載。仿真波形依次為800，650，500和360Hz時(shí)阻性滿載輸出電壓波形4.2實(shí)驗(yàn)與分析為了驗(yàn)證本文提出的一種新穎組合式雙Buck逆變器的工作原理、理論建模和高效率、高可靠性等特點(diǎn)，制作一臺(tái)6kVA原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，得到下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)波形。

　　表2給出了系統(tǒng)在輸出頻率為400Hz下的不250 H，C=14.7F平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明1/6，1/3不平衡負(fù)載時(shí)，輸出電壓不平衡度小，且系統(tǒng)從空載到滿載輸出電壓下降>2V，系統(tǒng)具有較硬的外特性。

　　表2寬變頻逆變器輸出400Hz實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)負(fù)載輸出相電壓/V不平衡度空載額定負(fù)載ib=ic=表3給出了系統(tǒng)在不同輸出頻率條件下輸出電壓失真度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本逆變器系統(tǒng)全頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)輸出電壓Zhd> 2%，但輸出電壓失真度和輸出頻率之間的關(guān)系是非線性的，主要原因有：（1）由于輸出濾波器的截止頻率是固定的，系統(tǒng)在高頻800Hz輸出時(shí)，其相應(yīng)的低次諧波頻率是低頻輸出的兩倍多，因此輸出基波頻率越高輸出電壓失真度越?。唬?）由于系統(tǒng)采用滯環(huán)電流控制，其諧波頻譜是離散的，系統(tǒng)采用的是固定環(huán)寬控制，輸出基波頻率越高，系統(tǒng)平均開(kāi)關(guān)頻率與基波頻率之比就越小，控制上就會(huì)使得系統(tǒng)低次諧波含量增加，綜合上述分析得到并不是系統(tǒng)輸出基波頻率越高輸出電壓失真度越大。

　　表3逆變器輸出頻率與輸出電壓失真度數(shù)據(jù)率在800Hz時(shí)，系統(tǒng)半載以上效率略有降低，輸出頻率越低效率越高由于本寬變頻輸出逆變器的控制電路和參數(shù)都是相同的，電壓調(diào)節(jié)器和電流滯環(huán)比較器相同，可以近似認(rèn)為不同輸出頻率時(shí)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是相同的，逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)損耗相同，而造成系統(tǒng)效率不同的主要因素是磁心損耗，鐵氧體材料在低頻下主要損耗是磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗所占的比例很小可以忽略1是逆變器的輸出外特性曲線，曲線表明：采用滯環(huán)電流控制的雙BUCK逆變器在各種輸出頻率下均具有小的輸出靜差，并且靜差隨著輸出頻率的降低而減小。

　　變頻輸出買(mǎi)驗(yàn)波形0效率曲線表明，輸出功率在500W以上系統(tǒng)效率都不小于94%，額定效率都在95%以上，說(shuō)明雙Buck逆變器具有很高的效率。，系統(tǒng)輸出頻本文提出了一種新穎的組合式三相雙Buck逆變器拓?fù)涔曹g直流電源具蔌橋臂艦效，率高、易于實(shí)現(xiàn)高頻化運(yùn)行的特點(diǎn)對(duì)兩態(tài)滯環(huán)電流控制型逆變器的電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行了建模和理論分析，從理論上得到：引入電流內(nèi)環(huán)可以降解LC二階系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，其等效電氣時(shí)間常數(shù)L/K針對(duì)滯環(huán)電流控制開(kāi)關(guān)頻率變化范圍寬的問(wèn)題，提出了一種輸出濾波器的解耦設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。比較后實(shí)現(xiàn)了800Hz寬變頻輸出原理樣機(jī)