一種基于級聯回路控制和前饋補償的高效逆變器

任 英

(無錫工藝職業技術學院電子信息系，江蘇無錫 214206)

通常在設計和開發傳統逆變器架構的時候，需要針對一個給定的負載保證某個特定的性能水平。設計過程通常需要用到某些負載特性，從而簡化設計過程，并降低產品成本。這種方法產生的結果是針對特定的目標負載會使用一種成本較低但應用靈活性較差的產品［1－4］。

本文研究的結構可以給任何負載供電，同時達到較高的性能水平。按照最初的設計，逆變器旨在提供一個240 V的正弦輸出電壓給通用的UPS設備，而其負載特性是完全未知的。而且由于設計所產生的模塊化特性，該架構可以在許多領域中得以應用。

1 電力電子架構

本文提出的逆變器結構由2個功率處理階段組成(如圖1所示):升壓過程和逆變過程。輸入的電源經整流后提供一個標稱值為340 V，隨后經過升壓過程，通過高頻變壓器提供準確的420 V電壓，該值與地線有1 500 Vrms的隔離。420 V輸入給非變壓器的逆變器，從而提供了脈沖寬度調制的波形，最后該信號經過對稱的低通LC濾波器最終輸出。

圖1 電力電子架構示意圖

1.1 升壓過程

升壓器輸入的直流電流通過一個1.1 kW、25 kHz的MOSFET全橋變換器，然后經過一個高頻變壓器和多個二級整流器。二級整流器以串聯堆疊的形式饋送到單個電感和電容的低通濾波器。這種轉換器的輸入電壓范圍是160～400 V，允許的供電電源范圍是140～275 Vrms。在整個輸入電壓范圍內保證輸出電壓調節到420Vdc±0.5%，同時通過定制設計的變壓器耦合傳感器還可以提供電壓、電流和變壓器磁通反饋。

如果需要可以將一個96 Vdc的電池通過一個二極管連接到升壓變壓器中心抽頭，將電池的負極與整流器供電電源的負端相連，或者通過二極管將192 Vdc電池直接跨接在整流電源上。當電源發生故障時，整流電源電壓衰減，升壓器的輸入電壓下降，直到電池二極管變為正向偏置為止，此時電池可提供給負載能量。在電池工作期間，變壓器的中心抽頭和電池之間的連接具有電壓倍增效應，這使得升壓器工作在2倍的電池供橋電壓條件下。升壓器輸入電壓的最小值要求電池具有80 Vdc或160 Vdc的放電電壓才能保證升壓器的性能。

1.2 逆變過程

逆變器階段采用的是一個1.5 kW、25 kHz的MOSFET全橋非變壓轉換器，將接收到的420 Vdc的升壓器輸出電壓，通過脈寬調制技術產生一個240 Vac的輸出。由于逆變器并非完全隔離，在逆變器的調制頻率上，升壓器輸出的420 Vdc電壓與其有一個共同的電壓分量。低通濾波器是由2個電感器和1個電容器組成的，2個電感器分別連接逆變器的輸出管腳。除去隔離和來自逆變器的電壓變換，能夠顯著地增強逆變器的性能，即允許直流耦合以及更大的帶寬和更低的輸出阻抗。逆變器的一個輸出管腳連接在電容器的參考地上，使得電子控制裝置處于地電位，并通過一個接地的參考電阻釋放感應電流。

2 逆變控制結構

本文所述的控制方法是基于如下的2個級聯控制回路(如圖2所示)來饋送恒定頻率的PWM調制信號。內部的電流控制回路通過電流參考電壓和電流反饋電壓來產生誤差信號。這個信號直接饋送到PWM調制階段。該模塊的輸出電壓以前饋信號方式添加到電流參考信號中，以確保在負載發生變化時的線性特性。因此，這個循環回路可作為一個線性的跨導放大器。

圖2 級聯控制環路示意圖

圖2中，電壓控制回路是利用參考電壓和反饋電壓產生電壓的誤差信號。受限于二極管的開關特性，電壓誤差信號會饋送到電流控制回路作為電流參考信號。該模塊的電流控制是通過改變電流參考信號的門限值來實現的。電壓反饋信號來自隔直流的電容電阻衰減器，它實現了從直流至1 Hz的衰減。

2.1 循環補償

對于PWM調制操作的開環鏈路，調制的偏移電壓峰峰值為3 Vpp，在過濾器之前會產生一個800 Vpp的偏移輸出電壓，這樣就形成了系數為267的電壓增益。如果使用完整的軌對軌的840 Vpp電壓，將會導致惡劣的非線性特性，從而降低性能。

為了滿足對直流電流敏感的負載(即變壓器等)的要求，反饋放大器采用PI。對于12.5 A的輸出電流，需要將反饋電壓在信號匯聚點保持在3 V(在運算放大器階段確保低THD)，反饋增益為Iout/4.17。輸出電流經過25 mΩ的電阻并受差分放大器的控制，即使電阻是接地的也需要受差分放大器的控制，以避免地電流引起的共模電壓干擾。

得到要求的增益為

假設增益頻率遠大于濾波器的截止點(即濾波器是2.2 mH的電感)，式(5)計算了電流環路增益。為了滿足所需的5.6 kHz增益(電流放大器帶寬的設計目標，且調制造成的影響足夠低)，放大器的前向增益AI為0.829。為了建立積分的傳遞函數，需要在418 Hz處添加一個極點，其值遠低于濾波器1.2 kHz的截止頻率。通過計算表明在增益頻率處的補償所造成的影響是微乎其微的。

2.2 電壓放大器補償

假設一個理想的內部電流環路的跨導為4.17，輸出阻抗主要是電容性的(8 pF)。這里需要注意的是該濾波器電感受電流階段控制，所以在線條件下會被吸收在電流回路中，并不會作為過濾器中的無源元件。為了滿足對直流電壓敏感的負載(即變壓器等)要求，反饋放大器采用PI。對于340 Vp的輸出電壓，在匯聚點保證反饋電壓的峰值小于3.8 Vp。(運算放大器階段確保低THD)，因此反饋增益為Vout/90。輸出電壓由一個接地參考電阻實現分壓。

得到要求的增益為

電壓的環路增益由式(10)給出。為了使其增益頻率同樣等于內部電流環路的增益頻率5.6 kHz(可以保證最大的閉環帶寬，且有足夠的相位余量)，可得放大器的前向增益AV為0.165。除了對電壓反饋分壓增加一個隔直流電容，截止頻率為1 Hz，還要在傳遞函數的130 Hz處添加一個極點。這2項措施可以既降低運算放大器的偏移影響，又確保輸出的直流電壓分量不超過10 mV。在我們所關心的電源頻率范圍(40～70 Hz)，為了降低輸出阻抗，分別在100 Hz和500 Hz處加入極點和零點，這樣能夠獲得10倍的增益。

2.3 大信號的不穩定性

在實際使用中，在去除短路之前，電流回路的誤差較小，參考電流信號和反饋電流信號的大小相近。當去除短路時由于電流回路放大器的飽和，會在最低相位余量頻率處(2 kHz)，電壓回路存在不穩定性。除去短路后，輸出電感所儲存的能量和高帶寬的電壓控制回路會向相反極性驅動電流誤差信號，且速度比輸出電流(以及反饋電流)要快，這就導致很大的電流誤差信號，從而使放大器飽和。

控制放大器飽和的方法是檢測電流誤差信號是否超出了PWM的補償范圍，接著對輸入參考電壓采用較大的負反饋，使得電流誤差信號脫離飽和。在具有多個并行階段的系統中，這種不穩定只發生在所有電流放大器均是飽和狀態的情況下，因為任何一個線性工作的電流放大器是可以抑制其它放大器的。因此在恢復階段，為了防止輸出性能下降，只有在所有放大器均飽和時才觸發負反饋功能。

2.4 前饋補償

另外一種替代的保護方法是將輸出電壓反饋到電流參考信號，將電流環路改為P類型。為了確保誤差在最壞的情況下，反饋也足以將電流誤差驅動到放大器的線性區域內，需要明確反饋量的大小，以確保從瞬態中恢復。

反饋在線性工作條件下是前向的，因此系統的傳遞函數是作為前向反饋項出現的。在正常的工作條件下，也就是在不影響系統性能的前提下，電壓控制回路可以完成補償任務，此時這個前饋項的幅度很小(即前饋項為一個小的擾動輸入)。當存在多個并行的功率級時，由于前饋項的存在，可能會導致循環電流的增加，這是由不同電流回路間的前饋項不完全匹配造成的。

3 并行模塊

從電壓環路增益的計算中可以看出:如果電流回路的跨導比率和輸出電容保持恒定，那么電壓環路的補償對于不同的輸出功率也保持不變(前提是濾波器的截止頻率與電流環路的增益和相位是不變的)。因此，增加并聯電流回路和功率級數(如圖3所示)會使輸出功率成倍增加，每一級都是本文所分析得到的1.5 kW。而且，如果每一級濾波器和電流環的跨導增大或縮小，那么該功率級也會隨之變化。

通過利用級聯的控制回路，在單獨電壓回路的控制下設置任意數量的跨導放大器，該結構就會產生增益的效果。如果將電壓補償設計成與電流級數的數量無關，每個模塊輸出各自的電流參考信號，那么該架構就允許模塊化擴展，通過使用額外的冗余模塊對工作模塊進行調整。

電壓誤差信號和電流參考信號通過緩沖和分發方式，在模塊之間達到共享的效果。由于電流參考信號(電壓誤差信號)帶寬為5 kHz，且存在25 kHz的相位，所以信號分配網絡需要具備大于100 kHz的帶寬。

圖3 并聯模塊方法示意圖

每個模塊使用高共模抑制比(CMRR)的放大器重新生成每個模塊內的電流參考信號。在分配電流參考信號之前，應當設置系統電流的門限，以保證電壓環路補償相對于每個模塊的跨導不同時，每個模塊可以有不同的設置。這種技術具備較強的魯棒性，即使在強干擾的環境中也會工作得很好［6－7］。

由于反饋給每個模塊的電流參考信號是相同的，每個模塊會按照其跨導成比例地輸出電流和功率。在無負載時，由于參考信號的分配所造成的累積誤差，模塊之間存在約5%的循環電流。當負載比率大于5%時，這些誤差并不明顯，循環電流可以忽略不計。

還可以設置額外的電路與電流參考信號和實際模塊的輸出電流進行比較，以確定模塊工作是否有故障。如果比較后得到的誤差信號比較小，那么模塊工作正常。如果檢測到較為明顯的誤差，則表明該模塊有故障。此時任何故障模塊都應該自動關閉，并以最快的速度斷開逆變器的輸出［8］。

在一個模塊失效的情況下，為了糾正系統的瞬時電壓，電壓誤差信號和電流參考信號均會有所增加。分布式輸出濾波器所存儲的能量為級聯控制回路在其各自的帶寬內糾正這種錯誤提供了可能。

本系統允許存在任意數量的模塊，以保證任何單個模塊的失效都不會對系統性能造成影響。雖然由于元件數量的增加，模塊發生故障的可能性也會相對比較高，但是系統的實用性也大大增強了。在任何一個系統中(n＞1)，增加一個獨立的冗余模塊會使系統的MTBF獨立于模塊，并由系統管理模塊的MTBF所決定。

4 結束語

本文的架構已經成功地應用在從500 W到12.5 kW的一系列UPS設備上，并對關鍵的應用程序表現出高性能和實用性。由于逆變器提供了近乎理想的低頻功率放大器的特性，它可以用于任意波形信號發生器的供電和可變頻率的交流電源。對于一些潛在應用還包括作為功率放大器應用于地質勘探、振動試驗設備、亞音速放大結構測試以及低頻率的音頻放大。

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