單級雙電感buck-boost逆變器的研究

高申昊，陳超波

（西安工業大學 陜西 西安 710016）

單級雙電感buck-boost逆變器的研究

高申昊，陳超波

（西安工業大學 陜西 西安 710016）

提出一種雙電感結構嵌入至一種單級buck-boost逆變器而組合成的一種單級雙電感buckboost逆變器（SDIBI）。該逆變器同時具有升壓與降壓能力，在仿真實驗中，與傳統光伏逆變器逆變器相比，SDIBI具有更強的升壓能力，而隨著占空比增加其升壓能力會越來越明顯。該結構可使輸出的交流電壓在一個功率級內高于或低于直流輸入電壓，并使輸入電壓范圍更寬。由于該結構的良好對稱性也使其更易于控制。解決了傳統光伏逆變器輸入電壓范圍窄，結構復雜，升壓能力不足等問題。

光伏；逆變器；buck-boost；升壓能力

隨著能源的日益緊缺，具有實用的經濟性和清潔性的太陽能光伏發電成為國內外學者關注和研究的重點[1]。為既能滿足高效率，又能滿足高增益，國內外學者致力于研究高增益變換器的拓撲結構[2-5]。半橋/全橋并網逆變器輸入側的需求輸入電壓一般都在380 V以上，造成了升壓變換器的輸入和輸出電壓之間相差了幾十倍[6-9]，傳統的Boost變換器存在升壓能力不足的問題。那么，如何讓電壓達到高增益、高效率的變換，已經成為太陽能光伏并網發電系統的研究熱點[10-12]。

多級逆變器技術比較成熟，但其更加適用于集中式光伏發電系統并且具有成本高、體積大、效率較低和結構復雜等特點，而單級逆變器具有輸入電壓范圍寬，電路簡單，元器件少[2-3]、低功耗、效率高、可靠性高的優點[4]，并且采用一級功率單元實現電源的變換。文獻[5]中提出了一種新型非隔離式的buckboost光伏逆變器，適用于AC模塊，其結構緊湊，并且其工作在斷續工作模式，即電感電流不連續的方式，則可使用軟開關技術實現輔助開關的零電流關斷和全部開關的零電流開通，大大提高了系統效率、降低了開關損耗。文獻[10]中提出了一種新型非隔離式的高增益的DC/DC變換器，不僅拓撲結構簡單，而且降低了各元器件的電壓電流應力；文獻[11]中詳細介紹了級聯型、耦合電感和具有開關電容的變換器的拓撲結構，并指出了變換器中極待解決的問題；文獻[12]中采用DC/DC升壓技術和能量管理方法實現了低壓輸入高壓輸出，并且減少輸出電流提高了整體效率。

文中針對傳統雙級boost逆變器的升壓能力不足和結構復雜等問題，提出了單級雙電感buckboost逆變器。詳細的分析了SDIBI的工作原理，討論了其在連續導通模式下各元器件的選擇。接著利用Matlab/Simulink軟件對單級雙電感buck-boost光伏逆變器進行仿真分析和驗證該逆變器的正確性和可行性；最后對該變換器的優越特性進行概括和總結，并提出進一步的改善措施。

1 單級雙電感buck-boost逆變器工作原理

傳統的雙級boost逆變器，如圖1所示。這種拓撲結構需要5個功率開關管，5個反向二極管。每個功率二極管對應一個反向二極管并聯相接。

圖1 傳統的雙級Boost逆變器

圖2給出了基于雙Buck-Boost電路提出的一種新型單級Buck-Boost逆變器的電路拓撲結構。

圖2 新型單級Buck-Boost光伏逆變器

文中基于單級buck-boost光伏逆變器提出了一種新型的單級雙電感buck-boost逆變器（SDIBI）。圖3給出了這種新型單級雙電感buck-boost逆變器的電路拓撲結構。它由4個功率開關，6個功率二極管，一個電容和4個電感組成，其中4個電感要求電感值相等，從而保證了電感在并聯充電和串聯放電過程中的電壓值大小是相等的L1=L2=L（1），雙電感給負載供電的模塊為SDIBI的主要部分。

圖3 單級雙電感buck-boost光伏逆變器

其工作狀態共分為4個階段，左橋臂充電階段如圖 4（a）， 左橋臂放電階段如圖 4（b），右橋臂充電階段如圖 4（c）， 右橋臂放電階段如圖 4（d）。

1.1 基本工作原理及工作狀態

文中所提出的單級雙電感buck-boost逆變器工作在左右橋臂的工作原理基本相同，故只介紹其在左橋臂時的工作原理，功率開關SW1與SW3的作用為控制逆變輸出電壓頻率，在左橋臂放電階段時，開關器件SW1導通，二極管D1和D3導通，由于電壓差二極管D2被迫截止。此時左橋臂的等效電路如圖4（a）所示。此時，電感L1和L2并聯充電，其電壓值大小分別為:

當功率開關SW1關斷，二極管D1、D3被迫截止，二極管D2導通。電感L1、L2此時串聯放電，其等效電路如圖4（b）所示。其電壓值大小分為：

假設開關器件SW1的開關周期為T，導通時間是T1，關斷時間為 T2，且 T1+T2=T，則直通占空比D=根據電感L1和L2的電壓在一個開關周期時間內的平均值為 0[13]，結合方程式（1）~（4）可以得到：

整理求解可得：

圖4 單級雙電感buck-boost逆變器工作原理圖

1.2 電壓增益

G為單級開關電感Boost逆變器的電壓增益，則其表達式為：

由方程式（7）可以知道變換器的電壓增益G會隨著直通占空比D的增加而增加，從而實現變換器的升壓功能。傳統boost變換器的電壓增益表達式為可知單級雙電感boost逆變器比傳統雙級boost逆變器具有更強的升壓能力。如圖5給出了相應的關系曲線圖。

圖5 單級雙電感buck-boost逆變器與傳統雙級Boost逆變器增益比大小比較

由圖5可知，單級開關電感Boost逆變器相比較傳統雙級Boost逆變器而言具有更高的升壓能力，原因在于分子由1變成了2D，顯然單級開關電感Boost逆變器具有降壓的能力，但是當D≥0.5時候其升壓能力會逐漸超過傳統雙級Boost逆變器，而且趨勢會越來越明顯。并且隨著直通占空比D的增加，這種優勢會更加的明顯。

2 連續工作模式（CCM）

為了達到設計要求，要求電路工作在連續工作模式，導致其工作在連續工作模式（CCM）或斷續工作模式的關鍵在于電感的取值[14-15]。如圖6所示，給出了連續工作模式（CCM）下一個開關周期下的電感電流波形。

圖6 電感電流波形

由圖6可以得到電感L1和L2的電流紋波為：

那么，輸入電流紋波大小分別為：

為了使電路工作在連續工作模式要求流過電感的電流紋波ΔiL>IL，即當輸入電感的平均電流小于電感的電流紋波時，變換器就會進入連續工作狀態。由圖6得到的電感L1和L2的電流紋波:

其中L為電感值，Vin為輸入電壓，D為直通占空比，通過公式:

利用功率守恒原理，公式（11）可以分別得到輸入電流大小和電感電流大小的表達式:

由圖 4（a）可知:

則

那么由公式（11）和公式（15）可將 ΔiL>iL變換為:

當K>Kcrit，單級boost逆變器工作的兩個橋臂都工作在連續工作模式。由此，當在負載R值確定，占空比確定的情況下就可確定電感值L的取值范圍。

3 主電路參數設計

設定輸入輸出參數即可求出電感參數及電容參數。輸入直流電壓Vin=10 V，輸出交流電壓Vo=20 V，占空比 D=0.5，功率開關 SW1、SW2 頻率 f（sw1）=f（sw2）=50 Hz，功率開關 SW3、SW4 頻率 f（sw3）=f（sw4）=40kHz，負載電阻R=10 Ω。下面通過給定的參數計算出電感及電容參數。

3.1 電感參數的確定

當光伏逆變器在斷續工作模式（DCM）與連續工作模式（CCM）之間相互轉換時，電路的輸出特性會隨之發生很大的變化，因此保持工作模式不變是光伏發電的一個關鍵所在，而電感決定著逆變器的工作狀態[16]。為了保證所提逆變器持續工作在連續導電模式不變就要對電感的參數進行嚴密認真的設計。

由此可知電感所滿足的條件為：

根據公式 （16）可計算出連續工作模式下電感L<3.1×10-4。

3.2 電容參數的確定

電感 L1、L2、D1與電容 C構成了一個諧振回路。這個過程里L1、L2存儲的電能向電容C轉移，其等效電路圖如圖7所示。

圖7 諧振階段等效電路

4 單級雙電感buck-boost電路仿真

為了體現單級雙電感boost逆變器具有的良好性能，利用Matlab/Simulink仿真軟件對該變換器進行仿真試驗分析[17]。設定仿真參數Vin=10 V，電感L1=L2=L3=L4=2×10-4H，輸出儲能電容 C=0.01 μF，功率開關管 SW1、SW2 頻率 f（sw1）=f（sw2）=50 Hz，使輸出電壓為頻率50 Hz的交流輸出。功率開關管SW3、SW4 頻率 f（sw3）=f（sw4）=40 kHz。圖 8 為單級雙電感buck-boost電路仿真模型。

圖9給出了輸出電容電壓和電感L1電流波形，由圖可以看出：電容的放電階段對應著電感的充電階段，電容放電結束對應著電感的充電結束。電容的大部分充電時間對應著電感的放電階段。電容在每個開關周期內完成了一次充放電過程。

如圖10所示，當D=0.8時，SDIBI的升壓能力遠遠超過傳統boost逆變器，并且隨著占空比的增加，其高升壓優勢會越來越明顯。另外，利用Matlab/Simulink軟件進行仿真存在著一定的誤差，都在允許的范圍內。

5 結 論

SDIBI具有比傳統雙級boost逆變器更高的升壓能力，并且這種優勢隨著占空比的增加會越來越明顯；與傳統boost變換器相似的是影響變換器工作效率的主要因素是開關器件和靠近負載的二極管的導通損耗，可以通過軟開關技術等控制策略來控制降低導通損耗，提高工作效率；SDIBI拓撲結構簡單緊湊并且具有良好的對稱性，控制方法更為簡單。

圖8 單級雙電感buck-boost電路仿真模型

圖9 電容電壓和電感電流波形圖

圖10 輸出電壓仿真圖

[1]曲洪達，白愷，李智，等.光伏發電并網效率提升的關鍵技術研究現狀 [J].華北電力技術，2014（1）:8-12.

[2]Koutroulis E，Blaabjerg F.Design optimization of gridconnected PV inverters[C]//2011 Twenty-Sixth Annual IEEE Applied Power Elec-ronics Conference and Expositio （APEC），FortWorth，USA:TX，2011:91-698.

[3]周玉斐.單級升壓逆變器及其應用技術研究[D].南京:南京航空航天大學，2013.

[4]雷金勇，李戰鷹，盧澤漢，等.分布式發電技術及其對電力系統影響研究綜述 [J].南方電網技術，2011（4）:46-50.

[5]岳舟.一種新型Buck-Boost光伏逆變器研究[J].電力電子技術，2011（6）:14-15，60.

[6]羅全明，邾玢鑫，周雒維，等.一種多路輸入高升壓Boost變換器 [J].中國電機工程學報，2012（3）:9-14，22.

[7]吳學智，尹靖元，楊捷，等.新型的無隔離變壓器單相光伏并網逆變器 [J].電網技術，2013（10）:2712-2718.

[8]胡曉青，程啟明，王映斐，等.基于自整定Fuzzy-PI控制的電流跟蹤型光伏并網逆變器[J].太陽能學報，2013（6）:959-966.

[9]劉尚偉.單相LCL逆變器并網技術研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[10]Das A， Rajput V K，Chakraborty A， et al.A new t-ransformerless DC—DC converter with high voltage gain [C]//Industrial Electronics，Control&R -obotics （IECR），2010 International Conference o-n.IEEE，2010:91-94.

[11]Li W，He X.Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on， 2011， 58（4）:1239-1250.

[12]Richelli A，Comensoli S，Kovacs-Vajna Z M.A DC/DC boosting technique and power management for ultralow-voltage energy harvesting applications[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on， 2012， 59（6）:2701-2708.

[13]王學梅，易根云，丘東元，等.基于伏秒平衡原理的Buck-Boost變換器分析 [J].電氣電子教學學報，2012（2）:61-64.

[14]谷鑫，夏長亮，陳煒.相差控制的Boost三電平變換器工作模式分析 [J].中國電機工程學報，2011，27:36-44.

[15]楊平，許建平，董政，等.二次型Boost變換器工作模式及輸出電壓紋波分析 [J].電工技術學報，2014（8）:110-118.

[16]方露，黨幼云，康朋飛.交流電子負載電感參數設計[J].西安工程大學學報，2015，29（4）：431-435.

[17]柳凌，錢祥忠.基于Matlab的三相橋式SPWM逆變器建模與仿真[J].電子設計工程，2014，22（14）：139-141.

Research on single-stage double inductor buck-boost inverter

GAO Shen-hao，CHEN Chao-bo
（Xi’an Technological University，Xi’an 710016， China）

Propse a double inductors structure，which is enbedded into a single-stage buck-boost inverter，merge a new type single-stage double inductors （SDIBI） buck-boost inverter.The SDIBI has the ability to boost and buck voltage.In the simulation experiment，compared with the traditional pv inverter ，SDIBI has stronger boost ability，with the duty cycle increase the capacity of boost will become more and more obvious.The structure enables the range of input voltage become wider，and the output amplitude can be higher or lower than the input DC voltage at a power level by controling the duty cycle.The structure is simple and compact and has good symmetry，which makes it easier to control.SDIBI solved the problem of the narrow input voltage range，complex structure and the insufficient boost ability of traditional PV inverter.

PV； inverter； buck-boost； boost ability

TN7

A

1674－6236（2017）12-0109-06

2016-09-08稿件編號：201609084

陜西省國際科技合作重點項目（2016KW-062）；西安市未央區科技計劃（201610）；陜西省自然科學基礎研究計劃（2014JM2-6093）

高申昊（1992—），男，河北邯鄲人，碩士。研究方向：控制理論與控制工程。