单相Cuk集成式升降压逆变器及控制方法、控制系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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 压的栗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。
[0005] 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Ci，电 容C2，开关管Si-S 4，电感U，电感L2，二极管DjP二极管D2，所述开关管51和&串联形成第一桥 臂电路，所述开关管S 3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;所述开关管接合点a连接有二极管Di的阳极，所述开关管S 3和S4的接 合点b连接有二极管D2的阳极，所述二极管Di和二极管仏的阴极共同连接有升压电容&的一 端，所述升压电容&的另一端连接有电感L 2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Ll、开关管Si、开关管S3。 [0000]进一步的，所述二极管Di和二极管D2的阴极共同连接有升压电容Cl的正极，升压电 容&的负极连接有电感L 2的一端。
[0007] 进一步的，所述升压电容&的正极与电感U之间设有输入电源。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 进一步的，所述开关管S1-S4各自分别含有体二极管DS1_DS4。
[0011] 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:sa、Sb和S。;其中，Sa用来控制输出 电压的正弦度，Sb为交流电压的正负极性判定信号，而Sc用于控制直流母线电压，以满足逆 变所需电压条件，Sa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Sc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3 1-54。
[0012]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：
[0013] (1)模态1，to-ti: to时刻前，S2和S4导通，Li、L2因分别承受反向电压(UC2-Uin)和U C1 而线性放电；在to时刻，S2关断，Si导通，到ti时刻，模态1结束;该模态内，对于Cuk升压部分， 二极管Di导通，电源电压全部加到输入电感Li上，电感电流iu(t)线性增长，同时，由于电容 C2放电，输出电感1^ 2的电流"也在线性增长；
[0014] (2)模态2，: 时刻，S4关断，S3导通，到t2时亥lj，模态2结束;对于Cuk升压部分， DLD2导通，Li、L2仍承受正向电压Uin和(UC2-UQ)，电流iLl(t)、iL2(t)继续线性上升；
[0015] ⑶模态3，t2-t3:t2时刻，Si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，Dl、D2导通，电流iLi(t)、iL2(t)通过Ds2、Ds4续流，电感Ll 的储能向电容c2转移，此时Li、L2承受反向电压(UC2-U in)和Ucl，iL1(t)、iL2⑴线性减小。
[0016] 进一步的，所述逆变器的电压传输t：t式中Ms_为调制比，Db_t 为Cuk的占空比。
[0017] 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。
[0018] 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栗升和输出电压正弦 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】
[0019] 图1为本发明逆变器的主电路拓扑示意图；
[0020] 图2为本发明混合SPWM调制逻辑电路不意图；
[0021 ]图3为本发明的控制模态主要波形图；
[0022] 图4为本发明控制方法中的模态1等效示意图；
[0023] 图5为本发明控制方法中的模态2等效示意图；
[0024] 图6为本发明控制方法中的模态3等效示意图；
[0025]图7为本发明的控制系统结构框图；
[0026]图8为仿真验证中输入电压170V时的直流母线电压udc波形示意图；
[0027]图9为仿真验证中输入电压170V时的输入、输出电压mJPu。波形示意图；
[0028]图10为仿真验证中输入电压105V时的直流母线电压udc波形示意图；
[0029 ]图11为仿真验证中输入电压105V时的输入、输出电压mn和u。波形不意图。
【具体实施方式】
[0030] 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：、
[0031] 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、DS4)以及上开关管(SL&)， 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。
[0032] 具体的，该逆变器包括升压电容&，电容C2，开关管SrSh电感U，电感L2，二极管Di 和二极管02，所述开关管51和52串联形成第一桥臂电路，所述开关管&和S 4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SjPS2的接合点 a连接有二极管Di的阳极，所述开关管&和S 4的接合点b连接有二极管D2的阳极，所述二极管 D:和二极管02的阴极共同连接有升压电容&的一端，所述升压电容&的另一端连接有电感L 2 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1^、开关管&、开关管S3。
[0033]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(D^Ds)、一个升 压电容(Q)和两个电感(L^Ls)。且仅采用混合SPWM调制，就能同时实现直流电压栗升和逆 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。
[0034] 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、Sb和Sc;其中，53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。用于控制直流母线电压，以满足逆变所需电压条件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。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。
[0035] 逆变器在一个开关周期内的开关时序如表1所示。表中，"Γ表示开关周期内开关 管处于导通状态，"〇"，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。
[0036]表1开关管导通状态
[0037]
[0038]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。
[0039]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。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。;③电容Ci、C2足够大，其端电压Uq和1?近似为恒定，故可等效为恒 压源;④no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。
[0040] 考虑逆变器的控制信号Sc^PSa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。
[0041] 从而，图4(a)中开关管5144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：
[0042] isk(t) = iski(t)+isk2(t)k=l，2,3,4 (1)
[0043] 式中，iski(t)与isk2(t)分别是各个开关管的Cuk升压分量和全桥逆变分量。
[0044] 同理，可对模态2和3做同样处理。
[0045] (1)模态1:[如-以](等效电路如图4(&)所示）。
[0046] t〇时刻前，S2和S4导通，Ll、L2因分别承受反向电压(Uc2-Uin)和Uci而线性放电。在to 时刻，s2关断，Si导通，到时亥|J，模态1结束。
[0047] 该模态内，对于Cuk升压部分，二极管0:导通，电源电压全部加到输入电感1^上，电 感电流iu(t)线性增长。同时，由于电容C2放电，输出电感L2的电流k2也在线性增长。（等效 电路如图4(b)所示）
[0048] (2)
[0049] .(.3.)
[0050] iDi(t) = isn(t) (4)
[0051] 对于全桥逆变部分，输出电流I。由开关管&、S4流过。（等效电路如图4(c)所示）
[0052] is4(t) = isi2(t) = I〇 (5)
[0053] 则有：
[0054] iS2(t) = iS3(t) = iD2(t)=0 (6)
[0055] (2)模态2:[以42](等效电路如图5(a)所示）。
[0056] 时刻，S4关断，S3导通，到t2时刻，模态2结束。
[0057] 对于Cuk升压部分，Dl、D2导通，Ll、L2仍承受正向电压Uin和(Uc2-Uci)，电流iLl(t)、iL2 (t)继续线性上升。（等效电路如图5(b)所示）
[0058] (7)
[0059] (8)
[0060] iDi(t) = isn(t) (9)
[0061] iD2(t) = is3i(t) (10)
[0062] 对于全桥逆变部分，输出电流I。经开关管SjPS3的体二极管续流。（等效电路如图5 (C)所示）
[0063] isi2(t) = is32(t) = I〇 (11)
[0064] 则有：
[0065] iS2(t) = iS4(t)=0 (12)
[0066] (3)模态3:[t2-t3](等效电路如图6(a)所示）。
[0067] t2时刻，Si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。
[0068] 在Cuk升压部分，Di、D2导通，电流iL1(t)、i L2⑴通过Ds2、Ds4续流，电感L!的储能向电 容C2转移。此时承受反向电压(UC2-Uin)和Ucl，ki(t)、iL2(t)线性减小。（等效电路如图6 (b) 所示）
[0069] (13)
[0070] (14)
[0071] iDi(t) = is2i(t) (15)
[0072] iD2(t) = is4i(t) (16)
[0073] 对于全桥逆变部分，输出电流I。经开关管S4和&的体二极管续流。（等效电路如图6 (c) 所示）
[0074] iS22(t) = iS42(t) = 1。 (17)
[0075] 则有：
[0076] isi(t) = is3(t)=0 (18)
[0077] 由图3可知，逆变器开关周期为Ts(即t〇-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(t〇_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 b_t为：
[0078]
(10)
[0079] 根据Cuk电路输出电压与输入电压的传输比关系，可得电容Ci的端电压Uci为：
[0080]
(20)
[0081] 则逆变器直流母线电压Udc，即UC2为：
[0082]
(21)
[0083] 对于图4(c)-6(c)所示全桥逆变部分，逆变桥的输出电压U。与直流母线电压Ud。满 足等式：
[0084] U〇=Msp?Udc (22)
[0085] 式中，MSP?为逆变桥调制比，且满足Msp?〈D bciclst。
[0086] 可得逆变器的电压传输比为：
[0087]
(2^)
[0088] 由式(23)可以看出，该逆变器的电压传输比G与调制比Ms_以及Cuk的占空比Db_ t 有关，G随着Mspwm和Db_t的增大而增大，但同时受约束条件M spwm〈Dbciclst的限制。其中，1/(1-Db_t)为Cuk升压部分的升压增益，当M s_大于(1-Db_t)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。
[0089] 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 rjPur2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Sc^PSa。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。和交流电压正负极性判定信号Sb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3 1_34。
[0090] 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：
[0091] 直流输入电压Uin=105V-170V，直流母线电压Udc = 330V，输出电压υ〇=11〇ν/50Ηζ， 滤波电感1^ = 5111!1，1^ = 1111!1，升压电容(：1 = 200(^?，母线电容(：2 = 200(^?，31~32采用 IPW60R0410C6，Di 和 D2 采用 IDW30G65C5。
[0092] 图8、图9以及图10、图11分别给出了Uin=170V和105V时逆变器的直流母线电压 Ud。，输出电压u。，输入电压mn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。
[0093] 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，udc的平均值为 330. llV，u。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，udc的平均值为330.18V，u。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。
[0094] 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栗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。
[0095] 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。
【主权项】
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Cl，电容C2，开关管Sigh 电感 L1 ，电感 L2,二极管 DjP二极管 D2,所述开关管 SjPS2 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； 所述开关管接合点a连接有二极管D 1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D 1和二极管02的阴极共同连接有升压电容C1的一端，所述升压电 容Cl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Ll、开关管Sl、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02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L 2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L 1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 Sl_S4分别含有体二极管Ds1_Ds4。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、Sb和S。； 其中，S』来控制输出电压的正弦度，Sb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，Sa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3 1-54。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to时刻前，S2和S4导通，L1J2因分别承受反向电压(Uc 2-Uin)和Uc1而线性 放电;在to时刻，S2关断，S1导通，到t时刻，模态1结束;该模态内，对于Cuk升压部分，二极管 Di导通，电源电压全部加到输入电感Li上，电感电流iu(t)线性增长，同时，由于电容C2放电， 输出电感1^的电流^ 2也在线性增长； (2) 模态2，: t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、D 2 导通，L1J2仍承受正向电压Uir^P(Uc2-U c1)，电流iL1(t)、iL2⑴继续线性上升； (3) 模态3，t2-t3:t2时刻，S1关断，S 2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，Dl、D2导通，电流iLi(t)、iL2(t)通过Ds2、Ds4续流，电感Ll的 储能向电容C 2转移，此时L1、L2承受反向电压(Uc2-Uin)和Uc 1，iL1 (t)、iL2 (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： TT 祕 所述逆变器的电压传输比G = 式中Mspwm为逆变器调制比，Dbcicis^Cuk升压部 ^in ^ _ ^boGSt 分的占空比。
【文档编号】H02M7/48GK105897024SQ201610353672
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】秦岭, 胡茂, 王亚芳, 孔笑笑, 候虚虚, 罗松, 冯志强, 徐张陈
【申请人】南通大学