摘要：文中提出一种基于Buck变换的新型逆变方法，通过DC-DC变换实现逆变器的正弦波形输出，分析了电路的工作原理，并研究了该逆变器的控制策略、抗扰动性能、负载特性和动态响应特性等，仿真和实验结果表明，采用误差反馈PD控制，逆变器在输入直流电压或负载电流出现扰动时输出电压能保持动态稳定，且具有良好的负载外特性。与传统桥式逆变器相比具有低开关损耗、低成本等优点。
关键词：PD控制；DC-DC变换；PWM逆变器
中图分类号： 文献标识码：
A Novel Inverter Based on Buck Converter
QIU Tian-quan，XIE Yun-xiang
( Electric Power College of South China University of Technology, Guangzhou 510640 ，China)
Abstract: In this paper, a novel inverter based on Buck converter is presented, which achieves a sine wave output voltage through DC-DC conversion .The author analyzes the circuit operation principle, studies its control strategy, immunity, load characteristics and dynamical response. The simulative and experimental results show that with the PD control based on feedback of voltage error the output voltage of the inverter can remain dynamically unchanged when there are disturbances in input DC voltage or load current, that the inverter has a good load characteristic. Compared with the traditional inverter, this new one has some advantages such as low switching losses, lower cost.
Key words: PD control；DC-DC transformation；PWM inverter
0 引言
电力电子逆变电源已经获得了广泛应用，研制具有高性能的逆变器一直是人们追求的目标 [1]。传统逆变器采用了桥式逆变主电路结构，通过高频PWM调制技术，获得低阶谐波含量小的恒幅高频脉冲波，然后经低通滤波器滤波后，获得平滑正弦波。
近年来提出了一种基于DC-DC变换的新型逆变器[23]，其原理是对DC-DC变换电路的占空比进行控制，使变换电路输出电压呈单向正弦全波或半波规律变化的直流，再经过后级电压极性变换电路将此输出电压变换为双向正负对称的正弦波。与传统桥式逆变器相比，基于DC-DC变换的新型逆变器有几个优点[4]。：只有一个开关工作在高频状态，因此开关损耗明显降低；第二：输出滤波电容可采用直流电解电容，而传统逆变器只能采用交流滤波电容。在相同容量时，所用的直流滤波电容比交流电容体积小，价格低；第三：在DC-DC变换电路的许多研究成果可广泛应用，如：软开关技术、电路拓扑、控制方法等。
本文以Buck变换电路为对象，研究基于Buck变换的新型逆变器及其控制策略，在该电路中采用PD控制策略，使逆变器具有良好的输出性能和鲁棒性。
1电路工作原理
1.1 电路结构
基于DC-DC变换的新型逆变电路如图1(a)所示，它由DC-DC变换电路和逆变器输出电压极性变换电路两部分组成；其中DC-DC变换电路采用常用的Buck电路，假定输入电压 是稳定直流电压，而高频开关S的占空比以正弦半波规律缓慢变化，则输出电压 将是正弦半波，如图1（b）；而输出电 压极性变换电路是一个与占空比 同步的桥式电路，其开关管工作在低频状态，仅在电压过零点进 (b) 开关管占空比及输出电压波形
行极性变换，为零电压转换，开关损耗很小。 图1 逆变器电路及输出电压波形
1.2 控制律选择
根据Buck变换电路的工作原理，建立电在一个控制周期内的平均模型，则由网孔电压方程可得：
（1）
式中： 为一个周期内的平均输入电压， 为高频开关管占空比， 为一个周期内电感两端的平均电压， 为一个周期内电容两端的平均电压。为了获得较好的正弦输出，同时消除输入直流电压或负载电流扰动产生的影响，使逆变器输出具有良好的动态稳定性和负载特性，必须合理选择控制策略完成对占空比的控制。假定参考电压 按正弦半波规律变化，Buck变换电路的输出电压为 ，令
（2）
则由式（1）可得：
可见当开关管占空比由式（2）产生时，输出电压严格跟随参考电压变化。为了提高系统的稳定性，考虑将输出端的正弦半波电压 引入控制电路作为负反馈控制量以此作为控制量，并考虑到式（1）所示的Buck变换电路的输出和输入之间的关系，将式（2）修改如下：
（3）
其中 是比例系数， 是参考电压。根据式（1）和式（3）可得：
＝ （4）
由此可见，采用式（3）所示的控制规律，稳态条件下的输出电压只与参考电压有关，并且与参考电压成严格的比例关系，而与输入电压以及负载电流无关，因而具有良好的鲁棒性，通过控制参考电压 就可以完全控制输出电压 。这样当参考电压是标准的正弦半波波形，即 ＝ ，输出电压就是接近标准的正弦半波，再通过桥式极性变换电路就可以输出标准的正弦波。
然而，对于固定的系统参数，在 和 不变的情况下， 的值比较小，占空比 与误差项 之间接近于一阶逼近的线性比例关系，所以较低，系统响应缓慢，而且控制系统无法预见误差的变化趋势，从而延长了系统状态变化时的暂态过程。
为了使系统具有良好的动态响应，可以引入微分项进行预测，即采用经典的PD控制策略，使系统具有的静态稳定性和快速的动态响应[4]。引入微分项后新的占空比控制律如下：
（5）
其中 是微分控制系数。
1.3 控制律参数选择
由（4）式可知，误差比例系数 取一个越大的正数，输出电压就越接近于参考电压，所以 取值应该尽可能地大。但是上述分析可知，（5）式表示的控制律依赖于正电压误差 的存在。当 很大，电压误差项很小，系统抗干扰性能就会下降，轻微的扰动就会使系统振荡，输出电压 上会叠加上一个噪声纹波，从而式（5）表示的控制律就无法正常工作。根据大量的研究经验表明，当9 19时[4,5]，实际输出电压将在比参考电压小5 ％～10 ％的范围内，此时系统具有较好的抗干扰能力。微分控制系数 对控制性能的影响主要表现在对高频暂态过程的抑制上；当 取值太小时，输出电压 会出现幅值较小的高频纹波，使输出电压波形变坏，随着 值的逐渐增大，系统将趋于稳定；但是 过大会过分抑制波形的变化，使输出电压在跟随参考电压突变时失真。根据根轨迹法分析，选取 的值为0.001左右。
2仿真结果
用MATLAB软件的SIMULINK对图 1所示的电路进行仿真，电路设计参数如下：输入电压 ＝20－30V，滤波电感 ＝1500 H，滤波电容 ＝10 F； ＝9～19， ＝0.0008～0.0012。由于图1电路采用了单向BUCK变换电路，因而只能实现功率的单向传输，故只能带阻性负载。
（a）输入直流电压扰动
（b）参考电压跳变
（c） 负载电流发生扰动
图2 直流输入电压、参考电压和负载电流扰动时的输出电压
图2（a）是输入电压发生阶跃突变扰动时的逆变器输出电压仿真结果，输入电压从20V跳变到27V，逆变器的输出电压没有改变，表现了很好的抗扰动能力。图2（b）为参考电压指令发生阶跃变化时的输出电压仿真结果，在参考电压指令发生变化时，输出电压几乎同时响应，表明系统具有快速的动态响应特性。图2（c）为负载扰动时的输出电压仿真结果，当负载在10 和20 之间变化时，采用上述控制技术的逆变器的输出电压基本不受影响，满足输出动态稳定的要求。
3实验结果
为了验证理论分析和仿真结果，按照如图1所示的逆变器电路研制了试验电路，其主电路的参数如下：输入电压 ＝20V，输出电压为交流3～12V；滤波电感 H，滤波电容 F；控制电路参数：参考电压为正弦半波电压由0～ V动态可调，比例控制系数 ＝12，微分控制系数 ＝0.0008；实验开关频率为75KHZ。预期输出电压将是50HZ的正弦波。由于该模型没有能量双向传输的功能，只在阻性负载条件下讨论逆变器的性能。
图3（a）是参考电压波形，图3（b）、3（c）为参考电压不变而负载不同情况下的输出电压波形；可见逆变器的输出电压基本不受负载阻抗变化的影响。实验也验证了参考电压变化对输出电压的影响，图4（a）、4（b）是负载不变而参考电压变化的输出波形，可见逆变器的输出电压在可调范围内能准确跟随参考电压。实验中测定了参考电压有效值为5.6伏时的负载特性，如图5所示，可见其负载特性较好。
该逆变器直流电源无需稳压，可以通过简单的整流滤波得到。试验发现，输出电压在过零点区域会出现微小失真。这是因为电压过零点附近电感电流下降至零，出现不连续。
5 结论
本文提出了一种基于Buck变换的新型逆变器，并对其常用控制策略加以改进，使该逆变器的输出具有良好的动态稳定性和鲁棒性，在输入电压或负载电流出现大扰动时能保持输出电压的动态稳定。用MATLAB软件进行的计算机仿真结果和试验电路的实验结果很好地吻合，证明了在PD控制方式下该逆变器的性能得到有效地提高，具有良好的输出特性、良好的动态稳定性和较强的鲁棒性。
(a) 参考电压 V (a) V ，负载电阻5欧
(b) 负载电阻10欧（轻载） (b) V, 负载电阻5欧
图4 参考电压对输出电压的影响
(c) 负载电阻1.7欧（重载） 图5 逆变器输出外特性
图3 负载对输出电压的影响
参考文献：
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[4] Zaohong Yang.analysis of a novel bydirectional DC-to-DC inverter[J] . IEEE transactions on circuits and systems-I:fundamental theory and applications, 2000,47(5):747-757.
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