CN105897024A - 单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统，包括升压电容C₁，电容C₂，开关管S₁‑S₄，电感L₁，电感L₂，二极管D₁和二极管D₂，开关管S₁和S₂的接合点a连接有二极管D₁的阳极，开关管S₃和S₄的接合点b连接有二极管D₂的阳极，二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的一端，升压电容C₁的另一端连接有电感L₂的一端，电感L₂的另一端分别连接有电容C₂的一端、开关管S₂、开关管S₄，所述电容C₂的另一端分别连接有电感L₁、开关管S₁、开关管S₃。本发明通过共用功率开关管，将Cuk变换器和传统全桥逆变器集成在一起，并采用多控制量复合调制策略，同时实现逆变器直流母线电压的泵升和输出电压正弦化，具有拓扑简洁、集成度高、电压增益高、成本低等优点。

Description

单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统

技术领域

本发明涉及一种逆变器及其控制方法，具体涉及一种单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统。

背景技术

光伏电池和燃料电池等新型电源的输出电压会宽范围变化，这就要求配套的逆变器必须具备升降压能力，以使其在整个输入电压范围内均能输出稳定的交流电能。采用两级式结构，即DC-DC升/降压变换器与传统的PWM电压型逆变器级联，可以很方便的解决上述问题。但这种方案存在结构复杂、成本较高等缺点。与之相比，单级升降压型逆变器将是一种更为合适的拓扑选择。

研究发现，目前具有升降压能力的单级逆变器主要有：Z源逆变器、组合式逆变器(如双Buck-Boost逆变器)、有源升降压逆变器等。遗憾的是，Z源或准Z源逆变器存在电压增益不足，启动冲击电流大，器件数量多，结构复杂等不足。组合式逆变器由于实际器件的非一致性，其输出存在较大的直流分量，且很难兼顾系统的快速性和稳定性，易导致输出波形左右不对称。有源升降压逆变器的开关管数量较多(8个)，同时其增益不足，控制较复杂。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种将Cuk变换器和传统全桥逆变器集成在一起，并采用多控制量复合调制策略，同时实现逆变器直流母线电压的泵升和输出电压正弦化，具有拓扑简洁、集成度高、电压增益高、成本低等优点的单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统。

技术方案：本发明所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，包括升压电容C₁，电容C₂，开关管S₁-S₄，电感L₁，电感L₂，二极管D₁和二极管D₂，所述开关管S₁和S₂串联形成第一桥臂电路，所述开关管S₃和S₄串联形成第二桥臂电路，所述第一桥臂电路和第二桥臂电路并联形成全桥电路；所述开关管S₁和S₂的接合点a连接有二极管D₁的阳极，所述开关管S₃和S₄的接合点b连接有二极管D₂的阳极，所述二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的一端，所述升压电容C₁的另一端连接有电感L₂的一端，所述电感L₂的另一端分别连接有电容C₂的一端、开关管S₂、开关管S₄，所述电容C₂的另一端分别连接有电感L₁、开关管S₁、开关管S₃。

进一步的，所述二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的正极，升压电容C₁的负极连接有电感L₂的一端。

进一步的，所述升压电容C₁的正极与电感L₁之间设有输入电源。

进一步的，所述接合点a和接合点b之间还连接有滤波电路。

进一步的，所述滤波电路采用LC滤波电路或LCL滤波电路，所述滤波电路还连接有负载。

进一步的，所述开关管S₁-S₄各自分别含有体二极管D_s1-D_s4。

本发明还公开了上述一种单相Cuk集成式升降压逆变器的控制方法：该逆变器采用多控制量复合调制策略，即调制电路含有多个控制量：S_a、S_b和S_c；其中，S_a用来控制输出电压的正弦度，S_b为交流电压的正负极性判定信号，而S_c用于控制直流母线电压，以满足逆变所需电压条件，S_a由输出电压环调节器输出的绝对值和载波信号经调制电路交接后产生，而S_c由母线电压环调节器的输出和载波信号经调制电路交接后产生，这两个载波信号完全相同，可以是不对称的三角波、前边沿锯齿波或后边沿锯齿波，基于上述三个相关控制信号，进一步由逻辑运算可以得到逆变器最终需要的驱动信号S₁-S₄。

进一步的，所述逆变器在正弦调制波正半波的每个开关周期内的工作过程包括如下三种模态：

(1)模态1，t₀-t₁：t₀时刻前，S₂和S₄导通，L₁、L₂因分别承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1而线性放电；在t₀时刻，S₂关断，S₁导通，到t₁时刻，模态1结束；该模态内，对于Cuk升压部分，二极管D₁导通，电源电压全部加到输入电感L₁上，电感电流i_L1(t)线性增长，同时，由于电容C₂放电，输出电感L₂的电流i_L2也在线性增长；

(2)模态2，t₁-t₂：t₁时刻，S₄关断，S₃导通，到t₂时刻，模态2结束；对于Cuk升压部分，D₁、D₂导通，L₁、L₂仍承受正向电压U_in和(U_C2-U_C1)，电流i_L1(t)、i_L2(t)继续线性上升；

(3)模态3，t₂-t₃：t₂时刻，S₁关断，S₂导通，到t₃时刻，模态3结束，下一个开关周期开始，重复上述过程；对于Cuk升压部分，D₁、D₂导通，电流i_L1(t)、i_L2(t)通过D_s2、D_s4续流，电感L₁的储能向电容C₂转移，此时L₁、L₂承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1，i_L1(t)、i_L2(t)线性减小。

进一步的，所述逆变器的电压传输比式中M_spwm为调制比，D_boost为Cuk的占空比。

本发明还进一步公开了一种单相Cuk集成式升降压逆变器控制系统，该系统包括上述的单相Cuk集成式升降压逆变器。

有益效果：本发明通过共用功率开关管，将Cuk变换器和传统全桥逆变器集成在一起，并采用多控制量复合调制策略，同时实现逆变器直流母线电压的泵升和输出电压正弦化，具有拓扑简洁、集成度高、电压增益高、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明逆变器的主电路拓扑示意图；

图2为本发明混合SPWM调制逻辑电路示意图；

图3为本发明的控制模态主要波形图；

图4为本发明控制方法中的模态1等效示意图；

图5为本发明控制方法中的模态2等效示意图；

图6为本发明控制方法中的模态3等效示意图；

图7为本发明的控制系统结构框图；

图8为仿真验证中输入电压170V时的直流母线电压u_dc波形示意图；

图9为仿真验证中输入电压170V时的输入、输出电压u_in和u_o波形示意图；

图10为仿真验证中输入电压105V时的直流母线电压u_dc波形示意图；

图11为仿真验证中输入电压105V时的输入、输出电压u_in和u_o波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的工作原理做进一步详细说明：、

图1给出了本发明提出的单相Cuk集成式升降压逆变器的电路结构，其由Cuk变换器演变而来，通过复用全桥逆变器的下开关管的体二极管(D_S2、D_S4)以及上开关管(S₁、S₃)，实现了Cuk变换器和全桥逆变器的集成，将原本由两级功率变换实现的功能由一级功率变换实现。

具体的，该逆变器包括升压电容C₁，电容C₂，开关管S₁-S₄，电感L₁，电感L₂，二极管D₁和二极管D₂，所述开关管S₁和S₂串联形成第一桥臂电路，所述开关管S₃和S₄串联形成第二桥臂电路，所述第一桥臂电路和第二桥臂电路并联形成全桥电路；所述开关管S₁和S₂的接合点a连接有二极管D₁的阳极，所述开关管S₃和S₄的接合点b连接有二极管D₂的阳极，所述二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的一端，所述升压电容C₁的另一端连接有电感L₂的一端，所述电感L₂的另一端分别连接有电容C₂的一端、开关管S₂、开关管S₄，所述电容C₂的另一端分别连接有电感L₁、开关管S₁、开关管S₃。

可以看出，与传统的全桥逆变器相比，其只增加了两个防反二极管(D₁、D₂)、一个升压电容(C₁)和两个电感(L₁、L₂)。且仅采用混合SPWM调制，就能同时实现直流电压泵升和逆变功能。因此，该逆变器具有效率高、集成度高、控制方便、结构简洁、成本低等优点。

本发明提出的Cuk集成式升降压逆变器采用多控制量复合调制策略。与传统的单极性调制(包括单极倍频调制)和双极性调制方式不同的是，多控制量复合调制电路含有多个控制量：S_a、S_b和S_c；其中，S_a用来控制输出电压的正弦度，S_b为交流电压的正负极性判定信号，而S_c用于控制直流母线电压，以满足逆变所需电压条件。S_a由输出电压环调节器输出的绝对值和载波信号经调制电路交接后产生，而S_c由母线电压环调节器的输出和载波信号经调制电路交接后产生，这两个载波信号完全相同，可以是不对称的三角波、前边沿锯齿波或后边沿锯齿波。基于上述三个相关控制信号，进一步由逻辑运算可以得到逆变器最终需要的驱动信号S₁-S₄。

逆变器在一个开关周期内的开关时序如表1所示。表中，“1”表示开关周期内开关管处于导通状态，“0”，表示开关管处于关断状态。结合该开关时序，可分析得出逆变器的工作原理和特性。

表1开关管导通状态

对于逆变器，其正弦调制波的正、负半波内工作过程是相似的，这里以正半波内的一个开关周期为例进行分析。

为了简化分析，首先假设逆变器工作已经达到稳态，并符合以下条件：①所有功率管、电感、电容均为理想元件；②输出滤波电感L_o足够大，其电流在一个开关周期内基本恒定，故可等效为恒流源I_o；③电容C₁、C₂足够大，其端电压U_C1和U_C2近似为恒定，故可等效为恒压源；④n₀点的电位为零。相应的，在正半周的每个开关周期内，逆变器的工作均可以分成3个模态，其主要波形如图3所示，每个工作模态对应的等效电路也如图4-6所示。

考虑逆变器的控制信号S_c和S_a分别决定了逆变器直流母线电压增益和逆变调制比，故可基于叠加原理分析逆变器的工作原理，即将逆变器的工作分解成Cuk升压和全桥逆变两个过程，分别予以分析，然后进行叠加。基于该思想，图4所示的模态1等效电路可相应地拆为两个部分，如图4(b)和4(c)所示。

从而，图4(a)中开关管S₁-S₄的电流，可以视为图4(b)和图4(c)中的相应电流分量之和，即：

i_Sk(t)＝i_Sk1(t)+i_Sk2(t)k＝1,2,3,4 (1)

式中，i_Sk1(t)与i_Sk2(t)分别是各个开关管的Cuk升压分量和全桥逆变分量。

同理，可对模态2和3做同样处理。

(1)模态1：[t₀-t₁](等效电路如图4(a)所示)。

t₀时刻前，S₂和S₄导通，L₁、L₂因分别承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1而线性放电。在t₀时刻，S₂关断，S₁导通，到t₁时刻，模态1结束。

该模态内，对于Cuk升压部分，二极管D₁导通，电源电压全部加到输入电感L₁上，电感电流i_L1(t)线性增长。同时，由于电容C₂放电，输出电感L₂的电流i_L2也在线性增长。(等效电路如图4(b)所示)

$i_{L1}\left(t\right)=i_{in}\left(t\right)=\frac{U_{in}}{L_1}(t-t_0)+i_{L1}\left(t_0\right)---\left(2\right)$

$i_{L2}\left(t\right)=\frac{U_{C2}-U_{C1}}{L_2}(t-t_0)+i_{L2}\left(t_0\right)---\left(3\right)$

i_D1(t)＝i_S11(t) (4)

对于全桥逆变部分，输出电流I_o由开关管S₁、S₄流过。(等效电路如图4(c)所示)

i_S4(t)＝i_S12(t)＝I_o (5)

则有：

i_S2(t)＝i_S3(t)＝i_D2(t)＝0 (6)

(2)模态2：[t₁-t₂](等效电路如图5(a)所示)。

t₁时刻，S₄关断，S₃导通，到t₂时刻，模态2结束。

对于Cuk升压部分，D₁、D₂导通，L₁、L₂仍承受正向电压U_in和(U_C2-U_C1)，电流i_L1(t)、i_L2(t)继续线性上升。(等效电路如图5(b)所示)

$i_{L1}\left(t\right)=i_{in}\left(t\right)=\frac{U_{in}}{L_1}(t-t_1)+i_{L1}\left(t_1\right)---\left(7\right)$

$i_{L2}\left(t\right)=\frac{U_{C2}-U_{C1}}{L_2}(t-t_1)+i_{L2}\left(t_1\right)---\left(8\right)$

i_D1(t)＝i_S11(t) (9)

i_D2(t)＝i_S31(t) (10)

对于全桥逆变部分，输出电流I_o经开关管S₁和S₃的体二极管续流。(等效电路如图5(c)所示)

i_S12(t)＝i_S32(t)＝I_o (11)

则有：

i_S2(t)＝i_S4(t)＝0 (12)

(3)模态3：[t₂-t₃](等效电路如图6(a)所示)。

t₂时刻，S₁关断，S₂导通，到t₃时刻，模态3结束。下一个开关周期开始，重复上述过程。

在Cuk升压部分，D₁、D₂导通，电流i_L1(t)、i_L2(t)通过D_s2、D_s4续流，电感L₁的储能向电容C₂转移。此时L₁、L₂承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1，i_L1(t)、i_L2(t)线性减小。(等效电路如图6(b)所示)

$i_{L1}\left(t\right)=\frac{U_{C2}-U_{in}}{L_1}(t-t_3)+i_{L1}\left(t_3\right)---\left(13\right)$

$i_{L2}\left(t\right)=\frac{U_{C1}}{L_2}(t-t_3)+i_{L2}\left(t_3\right)---\left(14\right)$

i_D1(t)＝i_S21(t) (15)

i_D2(t)＝i_S41(t) (16)

对于全桥逆变部分，输出电流I_o经开关管S₄和S₂的体二极管续流。(等效电路如图6(c)所示)

i_S22(t)＝i_S42(t)＝I_o (17)

则有：

i_S1(t)＝i_S3(t)＝0 (18)

由图3可知，逆变器开关周期为T_s(即t₀-t₃时间段)，结合图4(b)-6(b)可以看出Cuk部分对升压电感充电时间段为(t₀-t₂)，放电时间段为(t₂-t₃)。此处定义升压电感充电时间内的占空比D_boost为：

$D_{boost}=\frac{t_2-t_0}{T_s}---\left(19\right)$

根据Cuk电路输出电压与输入电压的传输比关系，可得电容C₁的端电压U_C1为：

$U_{C1}=\frac{D_{boost}}{1-D_{boost}}{U}_{in}---\left(20\right)$

则逆变器直流母线电压U_dc，即U_C2为：

$U_{dc}=U_{C2}=U_{C1}+U_{in}=\frac{U_{in}}{1-D_{boost}}---\left(21\right)$

对于图4(c)-6(c)所示全桥逆变部分，逆变桥的输出电压U_o与直流母线电压U_dc满足等式：

U_o＝M_spwmU_dc (22)

式中，M_spwm为逆变桥调制比，且满足M_spwm<D_boost。

可得逆变器的电压传输比为：

$G=\frac{U_o}{U_{in}}=\frac{M_{spwm}}{1-D_{boost}}---\left(23\right)$

由式(23)可以看出，该逆变器的电压传输比G与调制比M_spwm以及Cuk的占空比D_boost有关，G随着M_spwm和D_boost的增大而增大，但同时受约束条件M_spwm<D_boost的限制。其中，1/(1-D_boost)为Cuk升压部分的升压增益，当M_spwm大于(1-D_boost)时，G>1，即逆变器具备升压功能，反之，则逆变器具有降压的能力。

图7为单相Cuk集成式升降压逆变器的系统闭环控制框图。图中，逆变器的直流母线电压环和输出电压环可采用PI、PID等线性调节器，二者分别独立控制。调节器1输出的调制信号和调节器2输出的绝对值调制信号u_r1和u_r2分别经过信号调制电路与载波信号进行交接，产生控制信号S_c和S_a。其中，两个调制电路的载波信号完全相同，可以是不对称的三角波、前边沿锯齿波或后边沿锯齿波。最后，由S_a、S_c和交流电压正负极性判定信号S_b送入图2所示的逻辑运算电路，得到逆变器四个开关管的驱动信号S₁-S₄。

为验证本发明所提出的Cuk集成式升降压逆变器的可行性及其理论分析的正确性，搭建了一台500W/20kHz的样机进行了仿真验证，其设计指标如下：

直流输入电压U_in＝105V-170V，直流母线电压U_dc＝330V，输出电压U_o＝110V/50Hz，滤波电感L₁＝5mH，L₂＝1mH，升压电容C₁＝2000μF，母线电容C₂＝2000μF，S₁～S₂采用IPW60R0410C6，D₁和D₂采用IDW30G65C5。

图8、图9以及图10、图11分别给出了U_in＝170V和105V时逆变器的直流母线电压u_dc，输出电压u_o，输入电压u_in的仿真波形。其中，直流母线电压环和交流输出电压环的基准分别为3.3V和1.56V，采样系数均为0.01。

可以看出，逆变器采用了混合SPWM调制方法，当输入电压为170V时，u_dc的平均值为330.11V，u_o的幅值为156.11V，这表明系统很好地实现了降压和逆变功能；而当输入电压为105V时，u_dc的平均值为330.18V，u_o的幅值为156.05V，此时表明系统很好地实现了升压和逆变功能，这些仿真结果与理论分析较好的吻合。

本发明通过共用功率开关管，将Cuk变换器和传统全桥逆变器集成在一起，采用多控制量复合调制策略，同时实现逆变器直流母线电压的泵升和输出电压正弦化，具有拓扑简洁、集成度高、电压增益高、成本低等优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：包括升压电容C₁，电容C₂，开关管S₁-S₄，电感L₁，电感L₂，二极管D₁和二极管D₂，所述开关管S₁和S₂串联形成第一桥臂电路，所述开关管S₃和S₄串联形成第二桥臂电路，所述第一桥臂电路和第二桥臂电路并联形成全桥电路；所述开关管S₁和S₂的接合点a连接有二极管D₁的阳极，所述开关管S₃和S₄的接合点b连接有二极管D₂的阳极，所述二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的一端，所述升压电容C₁的另一端连接有电感L₂的一端，所述电感L₂的另一端分别连接有电容C₂的一端、开关管S₂、开关管S₄，所述电容C₂的另一端分别连接有电感L₁、开关管S₁、开关管S₃。

2.根据权利要求1所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：所述二极管D₁和二极管D₂的阴极共同连接有升压电容C₁的正极，升压电容C₁的负极连接有电感L₂的一端。

3.根据权利要求1或2所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：所述升压电容C₁的正极与电感L₁之间设有输入电源。

4.根据权利要求1所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：所述接合点a和接合点b之间还连接有滤波电路。

5.根据权利要求4所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：所述滤波电路采用LC滤波电路或LCL滤波电路，所述滤波电路还连接有负载。

6.根据权利要求1所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器，其特征在于：所述开关管S₁-S₄分别含有体二极管D_s1-D_s4。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器的控制方法，其特征在于：该逆变器采用多控制量复合调制策略，即调制电路含有多个控制量：S_a、S_b和S_c；其中，S_a用来控制输出电压的正弦度，S_b为交流电压的正负极性判定信号，而S_c用于控制直流母线电压，以满足逆变所需电压条件，S_a由输出电压环调节器输出的绝对值和载波信号经调制电路交接后产生，而S_c由母线电压环调节器的输出和载波信号经调制电路交接后产生，这两个载波信号完全相同，可以是不对称的三角波、前边沿锯齿波或后边沿锯齿波，基于上述三个相关控制信号，进一步由逻辑运算可以得到逆变器最终需要的驱动信号S₁-S₄。

8.根据权利要求7所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器的控制方法，其特征在于：所述逆变器在正弦调制波正半波的每个开关周期内的工作过程包括如下三种模态：

(1)模态1，t₀-t₁：t₀时刻前，S₂和S₄导通，L₁、L₂因分别承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1而线性放电；在t₀时刻，S₂关断，S₁导通，到t₁时刻，模态1结束；该模态内，对于Cuk升压部分，二极管D₁导通，电源电压全部加到输入电感L₁上，电感电流i_L1(t)线性增长，同时，由于电容C₂放电，输出电感L₂的电流i_L2也在线性增长；

(2)模态2，t₁-t₂：t₁时刻，S₄关断，S₃导通，到t₂时刻，模态2结束；对于Cuk升压部分，D₁、D₂导通，L₁、L₂仍承受正向电压U_in和(U_C2-U_C1)，电流i_L1(t)、i_L2(t)继续线性上升；

(3)模态3，t₂-t₃：t₂时刻，S₁关断，S₂导通，到t₃时刻，模态3结束，下一个开关周期开始，重复上述过程；对于Cuk升压部分，D₁、D₂导通，电流i_L1(t)、i_L2(t)通过D_s2、D_s4续流，电感L₁的储能向电容C₂转移，此时L₁、L₂承受反向电压(U_C2-U_in)和U_C1，i_L1(t)、i_L2(t)线性减小。

9.根据权利要求8所述的一种单相Cuk集成式升降压逆变器的控制方法，其特征在于：所述逆变器的电压传输比式中M_spwm为逆变器调制比，D_boost为Cuk升压部分的占空比。

10.一种单相Cuk集成式升降压逆变器控制系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任意一项所述的单相Cuk集成式升降压逆变器。