在逆变电源众多的电流控制技术中,滞环电流控制(Hysteresis current control)是较简单而用途比较广泛的一种方法。它是一种优越的非线性控制方法,电路实现简单、稳定性高、具有内在电流限制功能、动态响应快的特点。

　　滞环控制型逆变电源按其调制方式可分为两态调制和三态调制。两态调制只有输入能量和回馈能量两个状态,所以在半个输出周期内,脉冲调制波是双极性变化的。而三态调制除了有输入能量和回馈能量两个状态外,还有续流状态,在半个输出周期内,脉冲调制波是单极性调制。传统滞环电流控制两态调制功率级电路多采用半桥式电路拓扑结构,而三态调制功率级电路多采用全桥式电路拓扑结构。这两种调制方法相比,前者调制频率高,动态响应速度快,但是电流脉动大,而且由于没有续流状态因而回馈能量较大,电路输出效果不好。为了改进不足之处,本文将滞环电流控制两态调制功率级电路用一种双降压式电路拓扑代替了传统的半桥式电路拓扑,并与采用全桥式电路拓扑的滞环电流控制三态调制进行了比较。

　　1 滞环电流控制的工作原理及稳态分析

　　滞环电流控制是采用电压电流双闭环控制,将输出电流作为控制系统的内环,不仅可以大大提高系统的稳定性,而且可以改善逆变电源的动态性能和稳态性能。滞环电流控制逆变电源的系统结构如图1所示[2]。

　　图1中, k i、k u表示电流和电压调节器的增益,kmi、kmu表示电流和电压的反馈系数,km为逆变器滞环PWM放大增益,R为负载电阻。在此忽略反馈信号高频滤波环节及滤波电感的等效电阻的影响。图1所示的控制系统中,电流内环对包含在环内的扰动起到及时的调节作用,提高了系统的稳定性、动态特性;电压控制外环用于确保输出电压跟踪正弦参考电压,同时对滤波电感的参数变化起到及时的补偿作用。

　　系统的稳定性分析:整个系统的开环传递函数为

　　由此可以画出系统的根轨迹图如图2所示。

从图2可以看出,根轨迹的渐近线与虚轴平行,渐近线与实轴的交点为σ K=-b/2=-(1/RC +kikmkmi/L )/2。由于σK主要由kikmkmi/L决定,负载R的变化对σ K没有太大的影响。即使系统空载时,系统的闭环极点也是远离虚轴,位于负半平面。因此,系统有着较小的动态调整时间和较小的超调量。

　　2 两种调制方式的工作原理与分析

　　2.1 三态电流滞环调制工作原理所谓三态电流滞环调制就是将电感电流作为反馈量与给定电流进行比较,如图3所示。

当反馈电流超过滞环上限时VT2、VT3导通,电感电流减小。当反馈电流超过滞环下限时VT1、VT4导通,电感电流增大。当反馈电流在滞环以内时,VT2、VT4导通,电感电流进行续流。因此,两桥臂中点电压U AB就有+U ,-U ,0三种状态,即+1,-1,0三种状态。

　　2.2 两态电流滞环调制工作原理

　　S1、VD1、L 1、C f与S2、VD2、L 2、C f分别构成了两个降压电路,如图4所示。各输出电流iL的正负半周,这样两个桥臂在输出电流iL的正负半周期轮流工作,并且不存在直流偏置。当iL1>0时,S2、VD2截止,当反馈电流超过滞环上限时S1关断,VD1导通,电感L 1电流减小;当反馈电流超过滞环下限时S1导通,VD1关断,电感L 1电流增大;当iL2<0时,S1、VD1截止,当反馈电流超过滞环上限时S2导通,VD2截止,电感L 2电流减小;当反馈电流超过滞环下限时S2关断,VD2导通,电感L 2电流增大。两态电流滞环调制中的两态是指逆变桥臂间电压U AO、U BO的两种状态,即U d、-U d状态,也就是±1态。

　　2.3 两种调制方式的模态分析

　　在实际电路中, 空载和带阻性负载时电感电流均超前于输出电压,带感性负载时根据滤波参数和功率因数的不同,电感电流可能滞后于输出电压也可能超前于输出电压。下面以阻性负载为例,忽略电感电流的脉动,设电感电流为iL=I Lmaxsinωt ,输出电压为U O=U Omaxsin(ωt -θ),在输出电压的正半周期内,三态电流滞环调制模态分析如表1、表2所示,

电感电流与输出电压的正方向如图3所示;两态电流滞环调制模态分析如表3、表4所示,电感电流与输出电压的正方向如图4所示。

　　类似的,可以得到输出电压负半周期内的工作模态。

　　3 仿真结果

　　在上述对两种调制方式分析的基础上进行了仿真研究。

　　三态电流滞环调制:设U =300V,L =2mH,C =20μF,输出电压谐波分析如图5所示。

　　两态电流滞环调制: 设U d = 1 5 0 V , L 1 =L 2=2mH,C =20μF,输出电压谐波分析如图6所示。

　　由仿真结果可以看到,采用双降压式电路拓扑结构的两态电流滞环调制的输出电压质量要好于采用全桥式电路拓扑结构的三态电流滞环调制的输出电压,这是由于:

　　(1)全桥式逆变电源的两个桥臂四只开关管工作状态是互补的,所以驱动信号之间要有死区时间设置,以防止开关管直通,这样会造成输出电压波形畸变,传统半桥式逆变电源也是存在这样的问题,而双降压式逆变电源的两只开关管分别位于两个桥臂上,由于两只开关管之间有两只电感串联,即使两个开关管同时开通,也不会出现直通现象,所以不必设置死区,这样就不会产生由于死区造成输出电压的波形畸变。

　　(2)全桥式逆变电路功率管的体二极管是工作的，由于提高功率管的性能和提高体二极管的性能是矛盾的，所以很难通过选取更好的功率管来提高效率,而双降压式逆变电路功率管的体二极管不工作，因此功率管和续流二极管可以分别得到最优设计。

　　4 结束语

　　上述研究表明在逆变电路中，功率级采用双降压式电路拓扑结构的两态电流滞环调制方法弥补了传统半桥式两态电流滞环调制方法的不足，仿真结果表明其输出效果要明显好于全桥式三态电流滞环调制，从而证实了该方法具有重要的实际意义。

　　参考文献

　　[1] S.Buso.Uninterruptible Power Supply MultiloopControl Employing Digital Predictive Voltage andCurrent Regul_ ators[J].IEEE TransactionsonIndustry Applications, Vol. 37, No.6, November-December, 2001,pp.1846～1854.

　　[2] 孙 进.三相逆变电源解耦控制方法的研究[D],西安交通大学博士学位论文,2003.

　　[ 3 ] 章建峰,陈道炼.三态准P W M电流滞环控制逆变器分析与实现[ J ] , 电力电子技术,2005,39(2),33～35.

　　[4] 张书军,魏克新.正弦滞环电流控制可逆变流器[J],电力电子技术,2007,41(5),24～25.

　　[5] 杨 帆.50kVA双降压式半桥逆变器[D],南京航空航天大学,2007.

　　作者简介

　　马玉明(1983-),男,硕士研究生,主要研究方向是电能处理与变换。

　　侯振义(1952-),男,教授,博士生导师,主要研究方向是电力电子技术及应用。【红尘有你】