PWM控制开关升压逆变器及其样机的研制

希尔帕。¹， H.瓦桑塔·库马尔·谢蒂²

达亚南达萨加尔工程学院电子电气系研究生(电力电子)。，印度班加罗尔
达雅南达萨加尔工程学院电子工程学系教授。，印度班加罗尔

摘要

本文的目的是研究开关升压逆变器(SBI)的工作模式和分析。该SBI的性能与z源逆变器(ZSI)相似。与ZSI相比，目前的拓扑结构减少了无源组件的数量，因此体积更小，成本更低。这一特性使它比ZSI更适合低功耗应用。为了使逆变器正常工作，特别考虑了逆变器的工作原理(即两个开关在逆变器的同一支腿上导通)，详细描述了一种改进的PWM控制策略。此外，详细描述了该改进PWM技术下各性能参数之间的数学关系。利用Matlab/Simulink软件进行仿真，验证理论分析的正确性。本报告还介绍了开关升压逆变器的实验室原型及其结果。

关键字

z源逆变器，开关升压逆变器，改进的PWM技术，直通，非直通。

介绍

ZSI采用独特的阻抗网络将转换电路与电源耦合，从而提供传统电压源逆变器和电流源逆变器所不具备的独特特性。上述独特的阻抗网络，实现了两个电容和两个电感。这些无源组件的引入增加了整个逆变器的重量和尺寸。为了减小尺寸和重量，考虑了一种新的拓扑结构，其中涉及较少的无源组件，同时尝试在所有稳态性能中尝试相似。这种新的拓扑结构被称为开关升压逆变器，本报告正在对其进行研究和分析。

2文献调查

SBI[2]的基本思想来源于ZSI[1]。通过控制直通占空比，ZSI可以从给定的直流输入电压产生任何交流输出电压。这一特性使ZSI适用于许多应用，如可再生能源系统(光伏和燃料电池)，可调速驱动器，通用电机驱动器，电动汽车，不间断电源[3]-[8]等。

传统的脉宽调制技术可以在保留传统调制技术[9]的所有谐波性能特征的同时，有策略地修改以连续或间断地影响ZSI的运行。采用x型LC阻抗网络的ZSI的完整分析性能比较复杂。因此，在[10]中采用小信号模型法推导传递函数并对其性能进行评价。从文献综述可以看出，ZSI是一种很有前途的buck和boost操作技术。但ZSI的缺点是采用的无源元件较多，体积较大。因此，SBI拓扑被提出[2]以减少无源元件的数量，从而可用于尺寸和重量很重要的低功耗应用。

2开关升压逆变器

图1显示了SBI的原理图，它是一种buck-boost型DC-AC变换器，就像经典的ZSI一样。在电压源Vg和逆变器电桥之间插入有源开关(S)、两个二极管(Da, Db)、一个电感(L)和一个电容(C)等主要元件。这些组件组成了SBI的开关升压网络。逆变器桥的输出端采用低通滤波器，对h桥VAB输出电压中的开关频率分量进行滤波。Lf和Cf构成滤波电路。RL是负荷。Vo是逆变电桥对VAB中开关频率分量进行滤波后的最终输出。

SBI电路利用MOSFET开关S, S1, S2, S3和S4。然而，人们也可以考虑IGBT版本与适当集成的门电路。Vsn1为开关节点1电压，Vi为开关节点2电压或逆变器输入电压或直流链路电压。VC为电容电压。

为了分析SBI的稳态特性，考虑TS为一个开关周期时间(完成一个完整周期所需的时间)，D为占空比(信号处于高状态的时间占完成一个周期所需总时间的百分比)。

在稳态分析中，将工作状态分为直通和非直通两种状态。最初，在开关周期TS中，逆变器假设在持续时间D.TS内处于直通状态，在此期间开关S被打开。逆变器桥是通过上、下开关装置在相腿中短路。等效示意图如图2a所示。在直通状态下，逆变器桥接会短路。二极管Da和Db反向偏置为VC >Vg。电容器C通过开关S和逆变器桥给电感器L充电。电感电流在这个区间等于电容器放电电流。

对于切换周期的剩余时间，即(1−D)。TS，逆变器将处于非直通状态。开关S关闭。在此区间内，逆变器桥由如图2b所示的电流源表示。非直通时，Vg和L通过Da和Db共同给逆变器和电容供电。该区间内电感电流等于电容充电电流与逆变器输入电流之和。

参考图2a和图2b，我们可以写出下列表达式。

3开关升压逆变器的PWM控制

在传统正弦三角PWM的基础上，采用了改进的PWM控制策略[2]。在此方案中，开关损耗减小，且S的开关频率始终不变。vtri (t)是幅值VP，频率fs的高频三角载波。vm(t)和−vm(t)为振幅为m.p p的正弦调制信号(M为调制指数)，频率为fo。fs被选择得比fo大得多。由于这个原因，vm(t)在切换周期中几乎是恒定的。

信号ST1和ST2分别由vtri (t)与恒压、VST和−VST比较产生。交换机S1 (GS1)和交换机S2 (GS2)的门控信号由vm(t)和−vm(t)与vtri (t)比较产生。交换机S3 (GS3)的门控信号由ST1和GS2的NAND操作产生，交换机S4 (GS4)的门控信号由ST2和GS1的NAND操作产生。开关S (GS)的栅极控制信号是由ST1和ST2上的NAND操作产生的。当GS低时，逆变器输入电压高，反之亦然。

利用改进的PWM技术，建立了SBI的正常工作关系。

1.恒压(VST)与直通射空比的关系

iv .结果和讨论

采用Matlab/Simulink软件进行仿真。simulink模型如图3所示。本文采用了改进的PWM技术。VST为常数，取值为0.75。万用表用于测量电容c上的电压，有关SBI中使用的改进PWM技术的详细信息，请参阅第3章。

SBI中各电压计算如表1所示。在保持占空比不变、不同输入电压、不同调制指标的情况下，进行了两组计算。第一组是用来比较SBI和ZSI的。第一组考虑的输入电压为高i,e 100, M=0.48。第二组用于验证硬件结果。第二组考虑的输入电压小于i,e 17 V, M=0.63。在这两种情况下，开关频率为10 kHz, D=0.3。在仿真中，所有的组件都是理想的。L=5mH, C=100μF, RL= 1kΩ。得到以下波形:

图4显示了SBI中电容两端的电压。在稳定状态下，电容器电压提升到输入电压的近1.7V，即28V。在SBI情况下，电容电压等于逆变器输入电压。因此，逆变器的输入电压也提高了近1.7倍的输入电压。

SBI中h桥的输出电压如图5所示。VAB为29V。h桥的输出通常是方波。为了使其成为正弦波输出，在逆变器的输出端使用了低通LC滤波器。

图6为Hbridge输出电压中开关频率分量滤波后的逆变器输出电压。输出电压为19v。通过SBI仿真得到的波形确证了表1中的数学分析

五、实验验证

SBI样机的照片如图7所示。通过将整个设置划分为三个功能块来解释原型。第一个是控制器电路，第二个是门驱动电路，第三个是主SBI电路。

控制器电路给出控制信号，使门驱动电路运行。门驱动电路将驱动SBI电路的各个开关。下面详细介绍各电路的工作原理:

1.控制电路:AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位微控制器。由于其工业标准指令集，它是一种非常流行的、低成本的通用微控制器。有两个控制器电路。一个用于高频，即控制总开关s，另一个用于低频控制，即控制其他开关S1, S2, S3和S4。

用降压变压器将交流电230v降至12V。5V交流电将由控制器电路上提供的整流器和调节器进行整流和调节。产生的5V DC将作为控制器IC的输入，控制器IC即AT89S52将提供5V脉冲的输出。5V脉冲将被馈送到栅极驱动电路的缓冲IC。

2.栅极驱动电路:来自控制器IC的5V脉冲将使用缓冲放大器加强，即电流将增加，但电压保持不变。缓冲放大器的输出是直流5V。缓冲IC的输出将作为opt耦合器IC的输入。为了在低功率控制器电路和主SBI电路之间提供隔离，使用了光隔离门驱动器。由于光隔离，信号强度可能会恶化。为了克服这个问题，使用了TTL(晶体管晶体管逻辑)和变压器组合。一般来说，TTL采用NPN型和PNP型双极结晶体管。

3.SBI电路:使用降压变压器将230V AC降压到12V AC。变压器的输出使用二极管桥式整流整流，整流直流电压作为输入馈送到SBI电路。SBI输出电压通过负载RL测量。输出是使用如图8所示的SBI实验室原型获得的。用实验室样机的结果验证了理论分析的仿真结果。

图8a显示了高频控制器的输出。输出在高频控制器IC的引脚1处获得。如前所述，控制器IC的输出是一个5V脉冲。它的频率是10千赫。图8b显示了低频控制器的输出。输出在低频控制器IC的引脚1处获得。如果是低频控制器IC，输出也是一个5V脉冲。但正如它的名字所说，频率更低。频率为50赫兹。图8c显示了opt耦合器IC的输入。这里的输入电压非常小，即1.2 V。光耦合器级提供了低功率控制器电路和主SBI电路之间的隔离。由于光隔离，信号强度可能会恶化。 To overcome this, TTL and transformer combination is used. Fig. 8d shows the output of the optocoupler IC. Compared with the input stage the output signal strength has been increased it is due to the TTL logic implemented. Signal has a magnitude of around 15V here. This signal is used to the turn on the switches of SBI. Fig. 8e shows the gate control signals of switch S. The switching frequency here is high i.e., 10 kHz. It operates at a duty cycle 0.3 as shown. Whenever the gate signal to the S is high i.e., GS is high, the Vi will be low and vice-versa. Fig. 8f shows the inverter output voltage. For a given input voltage of 17V, the output has been boosted to 18.5 V.

Vi sbi和zsi的比较

1.升压能力的比较:峰值直流链路电压通过逆变电路，直流输入被称为升压因子。SBI (BSBI)和ZSI (BZSI)的升压因子可由

SBI逆变器的升压能力小于ZSI[1]和SBI。

2.电压转换比与调制指数的比较:SBI (GSBI)和ZSI (GZSI)的电压转换比可表示为:

与使用相同调制指数的ZSI相比，SBI提供了更高的升压反转。因此，对于相同的增益，SBI使用更高的调制指数，以提高逆变器的输出质量。

2.最大电压应力的比较:表2列出了ZSI和SBI开关上的最大电压应力。结果表明，SBI在有源开关上提供了较低的电压应力。

4.器件数量比较:SBI使用两个无源器件和三个半导体开关，而ZSI使用四个无源器件和一个半导体开关。由于无源元件数量较少，与ZSI相比，SBI可能会导致整体功率转换器的尺寸和重量减少。但是随着半导体器件数量的增加，与ZSI相比，SBI需要更好的保护电路。

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