将单周控制技术应用于电压型逆变电路的创新设计

摘　要：针对工业应用的实际需要，将单周控制技术应用于电压型逆变电路中，给负载提供所需要的交流电压源. 根据单周控制原理，解决了2个关键性的问题。首先，用2个积分器交互工作解决了积分器的复位问题；再用增加直流偏移量解决实际电路中遇到的电压测量问题。对于逆变电路而言，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力，减少逆变器开关的动作次数，就能减少开关损耗. 采用双积分器单周控制的电压型逆变电源，其逆变电路硬件结构简单，输出电压幅值和频率可调，具有快速的动态响应，较强的抑制电源扰动，直流电压利用率可达到92.8% ，电压谐波总畸变率( THD ) 最小为0. 255 9% ，降低了谐波损耗。

关键词：可调交流电源；单周控制；逆变器

　　引言

在现有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源；但对于交流负载而言，就需要无源逆变电路。而对于工业应用系统而言，常常需要较精确的交流电源。到目前为止，研究精确交流电源的文章很少。针对工业中的实际需要，本文提出了基于单周控制的电压型逆变电源研究。

单周控制是1991年由KeyueM. Smedley和Slobodan Cuk首次提出的大信号非线性控制技术。单周控制技术恰好克服了PWM技术固有的缺点：单周控制的开关频率是固定的，既改善了输出波形的质量，又降低了输出波形的谐波含量；单周控制的开关变量平均值在一个开关周期内严格跟踪参考给定，且开关变量平均值与控制参考之间既没有稳态误差，也没有暂态误差. 单周控制技术具有快速的动态响应，良好的鲁棒性，能较好地拟制电源扰动，自动校正开关误差，控制电路结构简单等优点. 单周控制技术可以用于DC /DC直流变换器、放大器、功率因数校正器( PFC) 、有源滤波器(APF) 、整流器、DC /AC逆变器等。

笔者提出的基于单周控制电压型逆变电源的研究，也就是单周控制方法在变频器技术中的应用研究。经典的单周控制技术要求积分器瞬时复位，这在实际电路中难以实现，通过双积分器解决了积分器瞬时位的问题；同时用增加直流偏移量解决了电压测量问题。笔者给出的电压型逆变电路，通过控制逆变器输出的开关电压，使得输出电压在一个开关周期内能严格跟踪参考电压，并且输出电压的幅值和频率是可调的。直流电压利用率是逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值和直流侧电压之比，该电压型逆变电源的直流电压利用率可高达92. 8% ，输出交流电压的波形畸变率THD 可低于0. 3% ，输出电压频率变化范围是0～100Hz，幅值是0～232V，但文中仿真波形以220 V为主。基于单周控制技术的电压型逆变电源获得了高质量的交流电源，提高了系统的效率，减少了谐波损耗，又节省了能源，是一种比较理想的变频器控制技术。

逆变器控制原理

电路结构
基于单周控制的电压型逆变电源控制电路如图1( a)所示。电路主要由主电路、控制电路及辅助电路组成. 主电路由整流输出的直流电压±E、IGBT功率器件T1、T2搭建的半桥电路、电感L 和电容C组成的二阶滤波器及电阻负载R 构成；控制电路是由积分器、比较器、RS触发器、时钟源、分频器等构成；辅助电路由隔离驱动和隔离运算放大器构成，它是连接主电路和控制电路之间的桥梁。由图1 ( a)可以看出，系统控制对象是功率开关器件的输出电压，此开关电压再经过二阶滤波器后给负载提供标准交流电压源，同时该电压通过隔离运算放大器测量电路到控制电路。

图1　基于单周控制的电压型逆变电路

单周控制原理

单周控制就是在一个开关周期内使得开关变量的平均值严格等于控制参考或者与控制参考成比例，时钟的频率fs (周期Ts = 1 / fs， 开关导通时间与开关周期之比定义为占空比D)是固定的。在图1 ( a)中，开关输出的电压量经过隔离运算放大器即积分器输入量Vsw，在时钟开始时刻， 假设T1导通，T2关断(反之亦然) ，则开关输出量为+ E (反之为- E) ，即Vsw = kE ( k为测量的比例因子， 是常量)，积分器开始积分，即积分值


　　当积分值Vint与参考值-Vref相等时， 即Vint =-Vref (图1 ( a)中， R3 = R5 ) ，比较器改变输出状态，积分器瞬时复位，开关T1关断， T2导通，此时Vsw = -kE，积分器又开始反向积分。在整个开关周期内，积分器的积分值是


　　当下一个时钟周期开始时，T1导通，T2关断，积分器又开始了新的工作周期。以后的每个开关周期，开关均以相同的规律工作，且每个开关周期内，积分器瞬时复位，正向、反向积分各一次。

改进型单周控制原理及实现电路
改进型单周控制电路就是将图1( a)中虚线框内电路改换成如图1( b)所示的相应电路。单周控制最关键的部分是积分器和复位器，且单周控制技术是建立在积分器瞬时复位的基础之上。在实际电路中，由于器件的不理想，存在以下2个问题：

1) 带复位功能的积分器复位时间不是瞬时的，故不能满足瞬时复位这一要求。
由于其他器件的限制，开关频率采用10kHz，即开关的周期是100μs。文章所采用的积分器复位时间最短也在3μs，那么积分器复位时间与开关周期相比，占空比是3%。正是由于复位时间过长而导致了输出电压有较大的直流偏移量和交流纹波影响。为了解决积分器复位时间过长的问题，笔者采用了双积分器进行积分，如图1( b)所示。在时钟周期开始时刻，若积分器1进行积分时，积分器2则处于复位状态，此时选择积分器1输出；当积分器1的积分值与参考给定相等时，积分器1复位，积分器2开始积分，此时选择积分器2输出. 积分器1、2的交互工作同时需要一个分频器及积分器输出选择功能。这样，一个积分器在每个开关周期内只积分一次，使得电路对积分器复位时间就没有很苛刻的要求，这不但对积分器的选择提供了方便，同时也消除了输出电压直流偏移和纹波影响的问题。

2) 功率开关输出电压幅值大于220V，该电压经过隔离运算放大器后输出电压为Vsw。
若Vsw太小的话，易受干扰信号的影响。考虑到实际情况， Vsw在3V左右，但这个值超过了笔者所采用的积分器输入范围，该积分器的输入范围是-10V～+0. 5V。为解决这个问题，采用了直流偏移补偿的方法，如图1( b)所示。下面给出直流偏移量(Voff )的推导过程。 图1( b)中R1、R2(R1 = R2 )与积分器内电阻Rint、内电容Cint (因为这2个参数是积分器自带的，所以图中没有给出)构成积分常数，即


此时积分器输入变为Vsw - Voff ，而积分器输出则变为：


式中-Vref是假定的参考。将式(4)左边展开，结合式(2) ，整理得：


　　由式(2)和式(5)可以得出：

　　而比较器输入端为：


　　由式(7)可以得出：

　　将式(8)带入式(6) ，并整理得

　　
从式( 9)可以知，选择适当的参数，就可以消除Voff项，可以使积分器输入量Vsw在一个开关周期内的平均值与控制参考相等。选择适当的参数，消除Voff项后，比较式(2)和式(9)可以看到，给控制参考和开关变量增加同一个直流偏移量前后，表达式相同. 通过适当的增加直流偏移量既可以满足积分器输入范围的要求，又保证了控制系统输出结果不变. 应当指出，积分器初始值均为0，这用脉冲发生器实现。

仿真结果

用saber仿真软件，以图1( b)所示的控制电路为仿真模型进行仿真。由于考虑到输出电压的频率范围是0 ～ 100 Hz， 所以二阶滤波器的截至频率设为450 Hz. 仿真参数为: ±E = 250 V，L = 1 mH，C =100μF，R = 8Ω。

输出电压频率幅值可调仿真
逆变电路输出交流电压幅值范围可以是0 ～232V，频率范围是0～100Hz，笔者只给出了部分仿真波形图。图2、图3和图4分别是参考电压幅值为恒定220V，频率依次为100，50，10 Hz交流电情况下，逆变器电路输出电压波形及各频率下输出电压波形的傅里叶分析。

图2　参考电压频率为100 Hz时的仿真波形



图3　参考电压频率为50 Hz时的仿真波形

从仿真波形可以看出，该控制电路的输出电压的幅值是220V，频率依次与参考电压相同，输出电压谐波含量很小，THD最小达到了0. 2559% ，且输出电压波形没有直流偏移量及交流纹波的影响，波形质量高，仿真结果与理论一致。图5是参考电压给定在232 V下的输出电压波形. 从测量的结果可以得出，该控制电路的直流电压利用率为(232 /250) ×100% = 92. 8%。

图4　参考电压频率为10 Hz时的仿真波形

图5　最大输出电压波形

直流侧电压扰动仿真
当直流电压有20%～30%的交流扰动时，交流输出Vout的电压波形基本没影响，如图6所示。仿真的直流扰动电压是：±E = ±[ 230 + 50 sin ( 628 t) ] ，即直流230V，扰动频率是100Hz，幅值是50V，初始相位是0°的交流电压。参考给定频率是100Hz，幅值是150V的交流电压。图6中给出了3个电压仿真波形，最上和最下面的是直流侧电压受到扰动时的电压波形，中间的是逆变电路输出的电压波形，且该输出电压的谐波含量也不大， THD = 0. 7622% ，由此可以看出该电路有较强的抗电源扰动能力。

实验结果

实验电路图与图1( b)相同。本实验平台的直流侧电压为±100V，控制电路由TI公司的2000系列的DSP芯片及双路积分器等芯片完成；主电路是将交流电整流后，再经过逆变电路组成. 按照仿真进行了实验验证，对实验波形进行傅里叶分析后得知，实验结果与仿真是相吻合的。图7只给出了参考电压幅值是80 V时主电路输出的电压波形，图中的电压波形频率由上至下分别是100，50，10 Hz。

图6　直流电压源有扰动时的仿真波形


图7 100、50、10Hz频率下的负载输出电压波形

结　论

从仿真波形和实验结果可以看出，单周控制技术是一种较理想的变频器控制技术。基于单周控制的电压型逆变电路，其输出波形质量高，THD均在0. 8%以下(即使直流电源有较大的交流扰动时)，最小达到了0. 2559% ，所以该逆变电路能提供标准的交流电源。实验结果与仿真结果非常接近，证实了理论的正确性.但由于仿真参数和实际硬件电路参数不完全一致，导致了两者之间的微小差异。总之，该电压源逆变电路直流电压利用率高，提高了系统的效率；开关器件工作在定频率下，降低了谐波损耗，节约了能源；有较强的抗电源扰动能力，使得输出电压不受直流电压波动的影响；系统的响应快；系统硬件电路结构简单，易于实现，可广泛用于各类逆变电源，如车载、船载电源等。