双Buck逆变器电容均压控制策略研究

双 Ｂ ｃ 逆变器 电容 均压控 制策略研 究 ｕｋ
吕 青 １ 王永攀 ，
（． １空军雷达学院 训练部 ， 武汉 ４ ０ １ ；２空军 雷达学院 研 究生管理大队 ， ３０ ９ ． 武汉 ４ ０ １ ） ３ ０ ９
摘 要 ： Ｂ ｃ 逆 变 电路 效 率 高 、 直通 、 制 简单 ， 用 于 电子镇 流 器主 电路 的设 计 ．针 对半 桥 双 Ｂ ｃ 逆 双 ｕｋ 无 控 适 ｕｋ 变 器 中直流 分 压 电容存 在 电压 偏 差 问题 ， 析 了直 流分 压 电容 中点 电位偏 移 的 原 因 ， 出采 用电容 电压偏 差 前馈 分 提
控 制策略， 并通过仿真验证 了该控制策略 的正确性．运用该控制策略到电子镇流器系统中， 可有效地消除直流分
压 电容 电压 偏 差。
关键 词 ： ｕｋ 变 器 ； ： ￣Ｂ ｃ 逆 电容 均压 ； 电流型 控制 ； 馈控 制 前
中图分 类 号 ：Ｍ４ Ｔ ６
文 献标 志码 ： Ａ
Ｄ Ｉ１．９９ ｉｓｎ１７．６ １ ０２０ ．１ Ｏ ： ０ ６／．ｓ．６３８ ９ ． １． ０ ６ ３ ｉ ２ ２
框 图．
４ 模 态 ４ｔ ） ［， ３
Ｖ 。 体 二 极 管 ＶＤ１ 通 ， Ｔ的 Ｔ导 电
感 电流 通 过 Ｖ 续 流 ， 入反 向 电流 衰减 阶段 ． 。 进 ｔ ｔ ， ｔ＝ ， 过 程结 束 ． 可得 ＝４ ｉ ４ ｏ 该 时 ｄ）
Ａ ４ ｔ ｔ 厶 １ ｑ） （ｄ—ｕ ） ｔ… ４ ３ ｉ ３１ ｏ ｏ Ｌ Ｉ Ｕ （） ４
按照 图 １ 电流 参 考 方 向 ， 中点 Ｎ按 照基 尔 霍 夫 对
电流 定律 得
ｉ ＝ ｃ＋ Ｌ Ａ ｃ ｉ ｉ ３ ｌ （） ７
因此 电容 Ｃ 与 Ｃ 的 电流 可 表示 为 ３ ４
电容 平 均 电压 为
一
器 中分 压 电容 的 中点 电压 产 生偏 移 ， 偏移 量 通 该 过 比例 积 分 作 为一 部分 给定 的 电感 电流 ， 而 使 从
＞ １０ ８ １０ ６ １０ ４ ０ ２ ４ ６ ８ １ １ １ １ １ ２ ２ ０ ２ ４ ６ ８ ０ ２
，ｍｓ ／
的信 号 加 人 到控 制 电路 中 的 电流给 定 信号 ， 可 就
图 ５ 未加前 馈控 制时仿 真波 形
第２ 期
吕 青 ， ： Ｂ ｃ 逆 变器电容 均压控 制 策略研 究 等 双 ｕｋ
证 了理 论 的正确 性 ．
信号 电感 电流
１ 电路 拓 扑 及 工 作原 理
零 电压半桥 双 Ｂ ｃ ｕｋ电路 结 构 如 图 １ 示 ， 所 分 压 电 容 Ｇ 、 ４ 联 的 中 点 为 Ｎ， 线 电 流 为 Ｃ串 中
１
一一
图 ３ Ｖ 动信 号 、 ｖ驱 电感 电流和管 压降 的关 系
１９ ３
动 信 号 以及 电 容 Ｃ 和 Ｃ 上 的 电 压 波 形 ， ６ ３ ４ 图 为 加入前 馈控制 时 Ｖ 驱 动 信 号 以 及 电容 Ｃ 和 Ｃ ３ ４
电容 电压 偏 差 问题 ， 出 了一 种 实用 的 电容偏 差 提 前 馈控 制 策 略 ．仿 真 结 果表 明 ， 控 制 策 略不 仅 该 能 够有 效 的实 现分 压 电 容 的均 压 ， 而且 还 能消 除 由 电容 偏 压 带来 的各 种 不 良影 响 ． 目前 ， 控 制 该 策 略 已应 用 到 电子 镇 流 器 系 统 中 ， 际应 用 证 实 明 ， 交 流 脉 动 电压 不 影 响输 出波 形 的前 提 下 ， 在 系统 在一 定 程 度上 减 小 了直流 分 压 电容 ， 具有 一
（） ６
Ｐ 调 节 后 得 到 信 号 ｉ， 与 ｉ的 和 即 为 电感 电 流 Ｉ
的 给 定信 号 ， 其 与 电感 电 流 的反 馈 进 行 比较 ， 将 得 到 的 误 差 信 号 ， 过 迟 滞 开 关 后 产 生 Ｐ 经 ＷＭ 波 ， 制 功率 器 件 的开 关 ． 控 加 入 电 容 中点 电 压 偏 差 前 馈 控 制 后 ， 于 由 电 容 电压 的伏 安 秒 值 不平 衡 ， 起 双 Ｂ ｃ 逆 变 引 ｕｋ
证 各 种负 载 情 况下 逆 变 器均 能 正 常工 作 ． ２ ． 直流分 压电容偏差前馈控制原理 ２ 电容 电流 ｉ 和 可 以 由 ｉ表 示 ． 由于 电容 中点 偏 差 电压 △ “是 由 电 容 电流 ｉ 和 的周 期 ｃ ，
性 变化 引起 的 ， 因此 将反 映 电容 中点 电压 偏 差 量
２ 直流分压 电容均压控制策略
２１ 直流分压 电容 中点 电位偏移分析 ．
设 ｉ ＝√ ，１ ｎｃ ＋Ｏ 其 中 是 电感 电流 初 Ｌ Ｌｓ （ｔ ）， １ ｏ ｉ
始 相位 角 ． 为分 析 方 便 ， ０ 。 由图 １ 设 ＝０ ， 可得
ＡＵ ３ Ａｕ ０ ｃ ＋ ｃ
图 ４ 滞 环 控 制 双 Ｂ ｃ 变 器 控 制 系 统 框 图 ｕｋ逆
动 ．② 要 使 电容 电压 的不 平衡 值 减 小 ， 以提 高 可 开关 频 率 、 大分 压 电容 的 电容值 或 减 小 电感 电 增 流， 也可 通 过 在分 压 电容 上 并 联较 大 功 率 的 电阻 来 减 小 分 压 电容 电 压偏 差 ．然 而 上 述 方 法 均 需
要增 大 系 统 体 积重 量 或 降低 系 统效 率 ， 并不 能 保
Ａ３ ｔ ｔ ａｃｏ［ ｄ—Ｕ ） ］ Ｃ ｔ～ ３ ２ ｒｃｓ Ｕｏ ｏ／ ／Ｏ （ （） ３
分 电 流来 平 衡 电 容 中点 电 压 ． 针 对 电压 电流 双
闭环 瞬 时 值 控 制 双 Ｂ ｃ 变器 采用 电容 电压 偏 ｕｋ逆 差 前馈 控 制 方 案［８ ７］ －． 图 ４为 滞 环 控 制 双 Ｂ ｃ 变 器 控 制 系 统 框 ｕｋ逆 图 ， 中 虚 线 部 分 为 电 容 电 压 偏 差 前 馈 控 制 其
对 于 电 子 镇 流 器 ， 使 灯 能 够 在 额 定 条 件 要
下 正 常工 作 ， 须 保 证加 在 灯 两端 的 电压 保 持 恒 必
定 ， 旦 输 出 电压 波 动 范 围过 大 ， 灯 在 启 动 过 一 则 程 和稳 态 阶段 的工 作 都将 受 到影 响 ， 的 寿命 也 灯
将 降 低 ． 因此 选 择 一 种 既 节 约成 本 又 具 有 良好 性 能 的逆 变 主 电路 对 电 子镇 流 器 的设 计 至 关 重 要 ． 基 于 准 方 波谐 振 的零 电压 半 桥 双 Ｂ ｃ 逆 变 ｕｋ 电路 因 其 效 率 高 、 直 通 、 制 简 单 、 靠 性 高 无 控 可 等 优越 性 能 ， 常 适 合作 为大 功率 电子 整 流器 功 非 率 变换 电路 ．
电 容 电压 偏 差 前 馈 控 制 的 原 理 为 ： 馈 电 反
＋ ＝） ４ Ｊ
ＨＣ４＝
由 电容 的 电压 和 电流 关 系 ｉ＝Ｃ ｕ ／ｔ ｃ Ａ ｃＡ 可得
ｆ ＋ｃ ３ ４ ０ ｃ ｉＣ／ ３ ４ Ｃ
（ 压 与基 准 电压 进 行 比较 ， 中点 后 的信 号 通 过 电 ５ 压 调节 器 得 到 信 号 ｆ， 将 比较 的偏 差 电压 经 过 ） 电容
第２ 卷 第２ ６ 期
２１年 ０ ０２ ４月
文章 编 号 ：６３８９ （０ ２ ０—１７０ １７ ．６ １２ １ ）２０ ３—３
空 军 雷 达 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｒＦｏ ｃ ｄ ｒＡｃ ｄ ｍ ｏ ｒ ａ ｆ Ａｉ ｒ ｅ Ｒａ ａ ａ ｅ
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则两 个 电容 电压 的不 平 衡 值 为
△甜＝厅。 一 厅 ， 。＝ ＋
３ 仿 真 分 析
ｋ 兰 （ 数 如 对 采直流双 Ｂｕ输入 构 的 逆 变 ０Ｖ，行出电压， 三 ｔ 下 ： 用 母 线ｃ 结 电压 为 ４ 器 进输 仿 真 参 暑 ） ０ 为 １０ 频 率 为 ５ Ｈ ， 波 电感 为 １ １ Ｖ， ０ ｚ滤 ．ｍＨ， 波 电 １ 滤 容 为 １ ．假 定 分 压 电容 容值 差 异 比较 大 ， ３ ４ Ｃ＝
作者 简介 ： 吕 青 （９ ３） １６－ ，男 ，高级讲 师 ，主要从事 电力 电子与 电力传 动研究
１８ ３
Ａｔ＝ｔ 一 ２ ２ ＝， 上 ／ Ｌ ｑ
空 军 雷 达 学 院 学 报
（） ２
２１ ０２生
以调 节 电感 电流 的大 小 ， 而利用 其 产 生 的一 部 从
３模 态 ３ｔ ｔ．Ｌ ）０ ， ） ［，３ ｉｔ 后 电路 进 入 工 、 Ｔ反 ２ ］ （＝ Ｃ１ 向 谐 振 阶 段 ， 感 电 流 反 向增 加 ， 电 电容 的 电 压 振 荡 下 降 ． ｔ ｔ时 ， 过 程 结 束 ， 感 电 流谐 ＝３ 该 电 振 到某 一 负值 ．可 得
文 献 ［】 出 了 电感 电 流对 两 个 分 压 电容 周 ２得
图 ２ 开关 管驱 动信号 产生框 图
由于 半桥 双 Ｂ ｃ 逆 变器 的 电路 结 构 和 工 作 ｕｋ 模 式 均 具 有 对 称 性 ， 文 以正 向 双 Ｂ ｃ 本 ｕｋ电路 为
例分 析 其 工作 过 程 ．在 该 工作 模 式 下 ， 电感 电流 的 变 化 是 研 究 各 阶 段 工 作 状 态 切 换 的 重 要 依 据．Ｖ 在 高 频 单 周 期 内 的驱 动 信 号 、 感 电 流 电 和 管 压 降 的 关 系 如 图 ３ 示 ． 根 据 三 者 之 间 的 所 关 系分 段 分析 各 时 间段 的具体 工 作 状态 ．
２ ０ｘ Ｇ＝ １ ． 图 ５ 未加 前 馈 控 制 时 Ｖ ｌ ２Ｉ Ｆ， Ｉ０ 为 驱
综 合 上 述 计 算 ， 得 到 以 下 结 论 ： 中点 不 可 ①
平 衡值 与 和 ｃ有 关 ， 以通 过减 少 值 降 低 偏 可 差， 但 值 首 先 要 满 足 软 开 关 设 计 ， 能 随性 改 不
ｆ． Ｌ 开关管驱动信号为低频叠加高频信号 ， ２ 基 图 为 于 ＵＣ ３ ０ 的开 关 管 驱动 信 号 产生 框 图 ． Ｃ ３５ 。
１模 态 １ ｏ ．ｏ 刻 ， 关 断 ， 。 ） ［， ｔ时 ｔ 】 Ｖ 与 产 生 谐 振 ， 路 进 入 Ｃ 电 阶 段 ． ｆ 时 该 过 程 电 Ｔ充 ＝ 结束 ， 电容 ｃ 电压 充 电 到直 流母 线 电 压 ． 由 Ｔ的 于 电路 工 作频 率 很 高 ， 过 程 持续 时 间很 短 ， 该 可 把 ｉｔ 作 对 恒 流 充 电 ， Ｌ） （看 由恒 流充 电公式 得
ｃ 己ｃ ４， ｄ
Ｃ 一 Ｃ３ Ｃ ３ ＋ ４
（ ３－ ） —Ｃ — ４ Ｄ ＂ （ ｋ Ｃ
、 ，１ Ｊ Ｌ ２
…
电感 电流 值 产 生 了一部 分 直 流分 量 ， 而使 分 压 进 电容 电压 的伏 安 秒 值得 到平衡 ， 除 电容 中点 电 消
压 直 流偏 差 ．
【
”
Ｖｘｔ
期 性 充 放 电而 引起 半 桥 电 路 中直 流 分 压 电容 不 均 压 的结 论 ．本 文 利 用 文 献 【］ 分 析 方 法 ， ２的 分 析 了造 成半 桥双 Ｂｃ ｕ ｋ变 换 器 电 压 不 平 衡 的 原
驱 动
因 ， 出采 取 电容 电压偏 差 前 馈方 式 克 服 电容 电 提 压 中点 不 平 衡 的控 制 策 略 ， 后通 过 仿 真 实验 验 最
Ａ １ Ｔ己Ｄ Ｉ ｔ＝Ｃ １，ｃｌ Ｌ （） １
２模 态 ２ ）
图 １ 半 桥 双 Ｂ ｃ 路 结 构 ｕｋ电
收 稿 日期 ：２ １．１ ５ ０２Ｏ一 Ｏ
当Ｖ 漏 源 极 电压 达 到 母 线
电压 后 ， 极 管 ｖ 通 ， 二 。导 电感 电流 通 过 ｖ。续 流
线性 减 小 ． 当 ｉｔ ０时 ， 过 程结 束 ． 可得 Ｌ） （＝ 该