一款基于BoostPWMDC/DC变换器的正弦波逆变器

2万 · 2014-2-26 00:35

5、电压跟踪控制法

Boost逆变器采用电压跟踪的原理电路如图9所示。控制电路利用滞环比较的方式，使Boost逆变器的输出电压，快速不停地跟踪一个基准正弦波电压，即利用逆变器的左臂跟踪正半周电压，右臂跟踪负半周电压，两臂轮流跟踪就能够得到一个完整的正弦波电压。

图9 Boost逆变器采用电压跟踪控制的原理电路框图

基准正弦波电压，是由控制电路中的基准正弦波发生器产生的，为了控制左右臂变换器轮流跟踪，还需要一个与基准正弦波电压同相位的方波电压，用此方波电压的正负半周来切换左右两臂变换器的跟踪。

逆变器各臂的功率输出，首先是利用Boost高速开关把直流电能变换成电感能，然后再把电感能转移到滤波储能电容C1(或C2)和负载上。

电感能向电容C1(或C2)和负载的转移如式(9)

(9)

式中：iL为流过L1(或L2)的电流；

UC为C1(或C2)上的电压；

P为负载消耗的功率瞬时值；

Δt为转移周期。

2万 · 2014-2-26 00:35

在时间Δt如果引起电感电流的变化为ΔiL,电容电压UC的变化为ΔU，则式(9)可以改写成

LΔiL2=CΔU2+PΔt

(10)

能量转移与跟踪过程如图10所示。图中t1～t2为电感储能时间，t2～t3为已跟踪到基准正弦波电压的时间，t3～t4为电感惯性移能到iL=0的时间，t4～t5为能量消耗与回收时间;t5～t6为电感重新储能时间。t4～t5期间电压下降速度决定t5～t6期间电感储存的能量。假设因某种原因使输出电压在t6～t′7期间未跟踪上基准正弦波电压，则t′7～t8期间紧接电感储能，力图在t8～t9期间跟踪上基准正弦波电压。在正弦波的上升沿，因滤波储能电容需要充电，故移能频率高，在正弦波下降沿因电容需要放电，故移能频率低。跟踪精度与图10中滞环宽度ΔU有关，ΔU小跟踪精度高，跟踪频率亦高，效率减小；ΔU大跟踪精度低，跟踪频率亦低，但效率高。

图10 能量转移与跟踪过程示意图

2万 · 2014-2-26 00:35

应用实例

一台已被实际应用的，采用电压跟踪控制法的Boost逆变器电路如图11所示。容量为300VA，输入直流电压US=24V，输出交流电压UL=220V，频率为50Hz。开关器件S1～S4采用的是10A/400V功率MOSFET。

图11 采用电压跟踪控制的Boost逆变器电路

2万 · 2014-2-26 00:36

在控制电路中，其准正弦波是由时基电路IC2产生的。IC2的脚2脚6产生含有UC/2直流分量的50Hz三角波，此波经390kΩ电阻与0.01μF电容的RC低通滤波后，得到含有6V直流分量的50Hz正弦波6+2sinωt，此波作为左右臂跟踪用的基准正弦波。控制左右臂输流工作的方波，采用IC2的脚2脚6三角波与UC电源电压中点，在IC4进行比较产生。用此方波控制IC1,IC3的脚4来切换左右两臂轮流工作。以右臂为例，S2控制电感能向电容和负载转换，而S2又受IC3时基电路的控制，只有当脚4输出U4>1V的高电平时才使S2具有开关功能。S2的开通受脚3的输出控制。这样，当同相位方波为低电平时，IC3不能置零复位，才允许S2工作，如果此时脚3输出高电位，则S2开通，脚3输出低电位，S2关断。
由式(10)可知，ΔU与负载的大小有关，p↑,ΔU↓;p↓，ΔU↑。为了保证ΔU跟踪基准正弦波电压的精度，需要根据负载大小随时调节iL，使ΔU与负载无关。调节的最好办法是用临界饱和控制电路。对于功率MOSFET来说，在临界饱和状态栅压与iL成正比，故可以利用开关管的栅压来间接地控制iL。在图11中用2个三级管组成的间接测量保持电路，只要开关管的端电压大于饱和电压，此电路就使栅压升高，反之使栅压降低。
使电感能向电容C2和负载转移的时间大约为10μs，在转移期间如果不到10μs就使输出电压大于基准正弦波电压，则G3发光使S4预开，同时通过脚4控制使IC3重复，U5仍保持低电平以防止10μs之后U5跃为高电平，惯性使ΔU继续增长，直到iL=0之后。C2和负载上过剩的能量通过S4，L2向US(蓄电池)充电回收能量，输出电压图10能量转移与跟踪过程示意图下降直到低于基准正弦波电压，S2关断，D3续流，电池吸收L2的全部反向储能。如此经过10ms使右臂输出一个正弦半波，而后再切换到左臂开始另半个周期正弦波的跟踪。

2万 · 2014-2-26 00:36

逆变器的性能增标如下：
重量≤80g，体积和复读机一样大；
功率300VA；
效率>90%；
输出电压正弦波失真度<3%；
空载电流<20mA；
具有过载及短路保护；
输出电压220V，可调。
结语
Boost逆变器是一种可以升压的新型逆变器，传统逆变器的控制方式几乎都可以在这种逆变器中应用，但以SPWM控制方式、滑模控制方式和电压跟踪控制方式应用较多。这种逆变器可以用于UPS电源和交流异步电机的驱动，以减小体积重量，提高电源性能。