一種優(yōu)化逆變電源直流變壓電路

曹子林， 陳戈珩， 李文秀

（長春工業(yè)大學計算機科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

隨著人類文明的發(fā)展，人類社會對石油、天然氣等不可再生資源的消耗量越來越大，因此給人類帶來了負面影響，如溫室效應、酸雨、臭氧層空洞等問題。新能源的開發(fā)利用順勢而生。

隨著世界新能源行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)新能源行業(yè)緊追不舍，國家大力投資光伏發(fā)電，風光互補技術不僅對節(jié)能減排具有積極意義，同時對于提高國家科研能力具有深遠意義。

文中斬波式直流變壓電路可用于風能發(fā)電，光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)彌補了以往將升壓電路和降壓電路獨立設計的不足，減小了響應延時，有效縮短了控制系統(tǒng)運算時間。

1 逆變電源直流變壓電路工作原理

1.1 斬波降壓電路（Buck Chopper）

降壓斬波電路（Buck Chopper）等效電路及數(shù)據(jù)分析如圖1所示。

圖1 降壓斬波電路的原理圖及波形

圖1（a）中功率模塊屬于全控型器件，本設計采用德國生產(chǎn)IGBT。D單向?qū)ǘO管，續(xù)流作用。由圖1（b）中V的柵極發(fā)射級電壓UGE分析，當IGBT處于導通狀態(tài)，輸入電源Ui為R供電，UD＝Ui。當IGBT處于斷開狀態(tài)時，負載電流經(jīng)二極管D續(xù)流構成回路，抑制電流突變電壓UD近似為零，約為1V上下，在高壓電路中可忽略不計。至一個周期結束，再由控制系統(tǒng)驅(qū)動IGBT導通，重復上一個周期動作，負載電壓的平均值為：

式中：ton——IGBT處于通態(tài)的時間；

toff——IGBT處于斷態(tài)的時間；

T——開關周期；

α——導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?，?/p>

由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為Ui，若減小占空比α，則Uo隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。

1.2 升壓斬波電路（Boost Chopper）

升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖及波形如圖2所示。

圖2 升壓斬波電路的原理圖及波形

電路也使用一個全控型器件V。由圖2（b）中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向電感L1上積蓄的能量為UiI1ton。當V處于斷態(tài)時，Ui和L1共同向電容C1充電，并向負載提供能量。設V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為（Uo－Ui）I1ton。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

輸出電壓：

上式中的T／toff≥1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

1.3 傳統(tǒng)變壓電路存在的問題

傳統(tǒng)直流升壓電路和降壓電路采用獨立設計方案，需要兩套幾乎完全相同的控制系統(tǒng)，編程時子程序較繁瑣，且兩種電路基本原理類似，硬件電路中使用元件60%可以共用，但由于工作方式獨立，并不能達到統(tǒng)籌規(guī)劃、節(jié)約資源的目的。因此，傳統(tǒng)設計方案需要改良，且完全可以合并為一個雙功能斬波變壓電路。

2 逆變電源直流變壓電路優(yōu)化設計

2.1 逆變電源直流變壓組成結構

逆變電源直流變壓組成結構如圖3所示。

圖3 組成結構

2.2 直流斬波變壓電路優(yōu)化設計

升壓和降壓斬波電路結構簡單，但它們只能執(zhí)行升壓和降壓功能，且操作起來麻煩，還增加了額外的開支。

文中將升壓和降壓斬波電路合并，直流變壓電路優(yōu)化設計如圖4所示。

圖4 直流變壓電路優(yōu)化設計

VT1，2L1，D2構成降壓電路。當VT1導通時，二極管截止，電流通過電感2L1給負載供電，當VT1截止時，電感2L1通過二極管D2給負載提供電能，由能量守恒可推得負載電壓下降。VT2，2L1，D2構成升壓斬波電路。當VT2截止時，電源給電感2L1儲能充電，當VT2截止時，電源和電感同時給負載供電，從而提高了負載的電壓。

圖中傳感器3T1起到過流保護的作用，當電流過大時，S1受控自動斷開，阻止電源繼續(xù)供電，電路2R3，2C1及電路2R4，2C2的作用是吸收電流。下面以電路2R3，2C1舉例說明。當IGBT導通時，電感2L1積蓄能量，當IGBT截止時，電感釋放能量，這時如果電流過大，全控器件IGBT很容易被擊穿，2R3，2C1及二極管構成的電路可以吸浪涌峰壓，從而起到保護全控器件IGBT的作用。下面介紹電池BT的作用：當電感2L1中的能量沒被釋放完全時，多余的能量被電源儲蓄起來，當電感中的電流過小時，蓄電池也可以為負載供電，所以，它起到了節(jié)約能源和為電路提供能量的作用。

3 結論與展望

直流升壓電路和直流降壓電路在之前的設計中一直采用獨立變壓模式，雖然可以完成相應功能，但生產(chǎn)成本較高，采用本設計直流變壓電路后，將斬波升壓和降壓電路合二為一，有效地利用了現(xiàn)有元器件，降低了生產(chǎn)成本，且功能更加完善，并在簡化電路結構的同時，減少了采樣環(huán)等元件的使用。

文中提出的直流變壓電路優(yōu)化方案有待實驗驗證，希望能為業(yè)內(nèi)設計人員提供理論參考。

［1］ 嚴仰光．航空航天供電系統(tǒng)［M］．北京：航空工業(yè)出版社，1994．

［2］ 譚漢興，白曉青．大功率中頻電源在雷達系統(tǒng)的應用［J］．現(xiàn)代雷達，2002（9）：55－59．

［3］ 劉鳳君．正弦逆變器［M］．北京：科學出版社，2002．

［4］ 陳益廣，郭暉，薛向黨．三相橋式逆變器關斷緩沖電路的研究［J］．電氣傳動，1998，28（5）：100－103．

［5］ 袁邦云．組合式航空逆變電源［M］．西安：西北工業(yè)大學出版社，2004．

［6］ 陳羽，劉慧．組合式逆變器限流技術研究［J］．電力電子技術，2008，42（5）：69－71．

［7］ 劉勝，陳娟，李進濤，等．一種改進的數(shù)字晶閘管觸發(fā)器［J］．長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，32（4）：375－380．

［8］ 高振，陳戈珩．超聲波流體速度及方向測試［J］．長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2011，32（4）：385－389．