组合型逆变器的原理和应用

所谓组合型逆变器，就是将基本非隔离DC-DC斩波器通过串、并联组合方式构成的非隔离单级逆变器结构。由于Buck变换器只能降压，Boost变换器只能升压，均不适用于宽输入范围的应用场合，因而在以下内容中不再讨论。本书所关注的是其他四种具有升降压能力的基本斩波器结构。

3.4.3.1 组合型逆变器的基本构造原理

就组合形式而言，组合型逆变器可分为输出串联型和输出并联型两种。

输出串联四象限变换器是采用两个双向DC-DC变换器，按照输入并联、输出串联的方式构建，如图3-85所示。双向DC-DC变换器可流过双向电流，实现能量双向流动；通过输出串联来实现双极性的电压输出。输出串联单级逆变器工作于电压互补导通模式（asymmetrical operation）：两个双向DC-DC变换器的输出电压均为带直流偏置的正弦波或正弦半波，且相位相反，其合成即为纯正的正弦波形，如图3-86所示。

图3-85 输出串联型逆变器的构造方式

图3-86 输出串联型逆变器的波形合成方式

利用对偶原理，根据输出串联型逆变器的构造思想，可以得到输出并联型逆变器的构造。采用两个单向DC-DC变换器作为电路组成单元；先通过输入串联、半桥输入的方式，使得单向DC-DC变换器本身就能提供双极性的输出电压；再将两个单向DC-DC变换器在输出侧并联，分别提供正负半周的输出电流，如图3-87所示。输出并联型单级逆变器可工作于电流全周导通模式或电流半周导通模式：电流全周导通模式下，两个单向DC-DC变换器同时工作，负载电流（包含输出滤波电容电流）为它们的输出电流之差，这种方式也可称为有环流运行模式，如图3-88a所示；电流半周导通模式下，两个单向DC-DC变换器各工作半个工频周期，分别提供正、负半个周期的输出电流，这种方式也可称为无环流运行模式，如图3-88b所示。显然，无环流运行模式具有更高的变换效率，是输出并联型逆变器首选的工作模式。

图3-87 输出串联型逆变器的构造方式

图3-88 输出并联型逆变器的波形合成方式

输出串联的结构，负载电流必然流经两个电路构成单元，这两个单元均会产生导通损耗；两个单元均需工作，以对各自的输出电压进行控制，这必然产生功率器件的开关损耗。而工作于无环流方式的输出并联结构，电流只流经一个电路构成单元，在半个工频周期内，仅有一个电路构成单元需要工作，因此开关损耗小。

此外，输出串联型逆变器的输入、输出不共地，不能使用三个输出串联型逆变器直接构建三相系统。而将三个输出并联型逆变器直接共地，可以方便地构建三相逆变系统。另外，由于采用并联形式输出，输出并联型逆变器易于并联运行。

3.4.3.2 组合型逆变器举例——并联双Cuk逆变器

基于组合型逆变器的构造原理，可以直接构造具有升降压能力的新型单级逆变器。下面以输出并联双Cuk逆变器为例，进行详细分析。

1.并联双Cuk逆变器的电路结构与基本工作原理

并联双Cuk逆变器的电路拓扑结构如图3-89a所示。该双Cuk逆变器由两个直流Cuk变换器通过输入串联、输出并联的方式构成；在将输出侧两个电感合并为一个电感（即L₃）的基础上，增加了两个半周期工作的开关管（VT₃和VT₄），用于选择由哪一个Cuk电路为负载供电。电路中负载由电阻R和滤波电容C_o并联构成，这是无源逆变时的情况，如果需要并网运行，将负载换成交流电源即可。并联双Cuk逆变器采用单极性调制方式，调制方法如图3-89b所示，VT₁和VT₂做高频调制工作，VT₃和VT₄只工作在工频周期。由于VT₁和VT₂不会同时工作，且在任意时刻均有电感与其串联工作，因而VT₁和VT₂短路故障状态，因而也无须设置死区时间。

图3-89 并联双Cuk逆变器及其调制方式

（1）工作模式分析

电路工作按输出电流方向，分为四种工作模式，如图3-90所示。

1）输出电流大于零。当输出电流大于零时，由E₂，VT₂，L₂，VD₂，C₂，VD₄，VT₄，L₃和负载组成的Cuk电路工作，此时电路分为两个工作模式：工作模式Ⅰ和工作模式Ⅱ。

工作模式Ⅰ：VT₂，VT₄保持导通，VT₁和VT₃关断，如图3-90a所示。电源E₂，VT₂，L₂，VD₂组成闭合回路，流经电感L₂的电流线性上升；C₂，VT₄，L₃，VT₂和负载组成闭合回路，流经电感L₃的电流正向线性上升，VD₄保持截止状态。

工作模式Ⅱ：VT₁，VT₂，VT₃关断，VD₄续流导通，VT₄保持开通，如图3-90b所示。E₂，VD₄，C₂，L₂，VD₂组成闭合回路，流经L₂的电流线性减小；L₃，VD₄，VT₄和负载组成闭合回路，流经L₃的电流也正向线性减小。

2）输出电流小于零。在输出电流小与零时，由E₁，VT₁，L₁，VD₁，C₁，VD₃，VT₃，L₃和负载组成的Cuk变换器工作，此时电路也可分为两个工作模式：工作模式Ⅲ和工作模式Ⅳ。

工作模式Ⅲ：VT₁和VT₃导通，VT₂和VT₄关断，如图3-90c所示，E₁，VD₁，L₁，VT₁组成闭合回路，流经电感L₁的电流线性上升；C₁，VT₁，VT₃，L₃和负载组成闭合回路，流经电感L₃的电流反向线性上升。

图3-90 电路的四种工作模式

工作模式Ⅳ：VT₃导通，VT₁，VT₂，VT₄关断，见图3-90d所示，E₁，VD₁，L₁，C₁，VD₃组成闭合回路，流经电感L₁的电流线性下降；VD₃，VT₃，L₃和负载组成闭合回路，流经电感L₃的电流反向线性下降。

（2）中间电容电压分析

以上对两个Cuk变换器交替工作时各自的工作模式进行了分析。实际上两个Cuk变换器中某一个工作时，另一个也并未完全停止工作。以输出电流大于零时为例，此时VT₂，VT₂，VT₂，VD₂，C₂，VD₄，VT₄，L₃和负载组成的Cuk电路工作，VT₂和VD₄交替工作；而另一个Cuk电路中的开关VT₁和VT₃关断。此时，对于中间电容C₁来说，实际上有两条充电回路交替对其充电：当VT₂导通时，电源E₁和E₂通过VD₁，L₁，C₁，VD₃，VT₂，L₂，VD₂这个回路向C₁充电；当VD₄导通时，电源E₁和E₂通过VD₁，L₁，C₁，VD₃，VD₄，C₂，L₂，VD₂这个回路向C₁充电。因此在这半个周期中，电容C₁始终处于充电状态，考虑到输入电感和另一中间电容C₂的泵升作用，电容电压值高于两个直流电源电压值之和。另一个中间电容C₂的情况也类似。考虑到以上对中间电容充电的时间段内，充电回路中除了有限的器件损耗和线路损耗外，没有增加额外的有功损耗；同时还保证了中间电容维持足够的电压，有利于下半个周期的正常工作。因而上述寄生回路不但无害，而且对整体电路的正常工作具有重要的作用。

（3）二极管VD₁和VD₂的作用

需要特别指出的是两个二极管VD₁和VD₂的作用。在常规Cuk变换器中，输入电感与输出电感的电流变化是同步的，两者存在耦合关系。这在DC-DC变换中起到正面作用，可以利用这种特性进行磁集成设计，实现输入输出电流零纹波。但在DC-AC变换中，这种输入输出电感电流的同步变化会起到一定负面作用，即在电流过零点附近会发生电流畸变。这是因为在电流过零点处附近，电路会进入电流断续状态，而两电感电流变化同步，因而会同时进入断续状态。对于这种电流畸变可以从调制、控制策略上加以改进，但效果不明显。为此在输入侧增加两只二极管VD₁和VD₂。这两只二极管起到解耦的作用，解除了输入电感和输出电感的耦合关系。在电流较大（即电流连续）时，该电路与常规Cuk电路完全一致。当电流在过零点附近时，通过合适的设计输入电感与输出电感的取值，使输入电感工作在电流断续状态，而输出电感工作在电流连续状态。这样就解决了输出电感电流畸变问题，提高了电路的谐波品质。二极管VD₁和VD₂除了上述作用外，还可以起到阻止电流倒灌的作用，对于电池类电源，如光伏电池和燃料电池等应用场合非常适合。

2.电路参数设计

从以上的分析可以看出，输入电感和输出电感的设计关系到该电路的输出特性。此外，还需要对电路中的电容参数进行设计。

（1）电感设计(www.xing528.com)

为简化起见，只对加入二极管的单个改进型Cuk电路进行分析，其结构图如图3-91所示，两电感电流波形如图3-92所示。

图3-91 改进型Cuk电路

图3-92 两电感电流波形

图3-92所示的电感电流波形为电感L₁电流断续，L₃电流临界连续时的情形。0～DT_s区间，两电感电流线性上升。到DT_s时刻两电感电流达到峰值，开始下降。到（D+D₁）T_s时刻，电感L₁电流下降到非常小，其两端的感生电压不足以维持VD₁正偏，VD₁关断，电感L₁电流为0；电感L₃电流继续下降。到T_s时刻，电感L₃电流下降为0。可见，由于加入了二极管VD₁，电感L₁和L₃不再具有耦合关系。

由伏秒平衡原理，有

整理，得

从图3-92可看出，电感L₁电流断续的临界条件为

D=1-D₁ （3-108）

根据能量守恒定律，在临界条件下有

将式（3-107）和式（3-108）代入式（3-109），整理可得L₁的临界连续取值公式为

对于电感L₃，其临界条件为

D₂=1-D （3-111）

而L₃电流的平均值即为输出电流，在临界条件下有

整理可得L₃的临界连续取值公式为

（2）电容设计

Cuk变换器中，中间电容C₁和C₂是能量转换的中介。在DC-DC变换中，稳态时输入、输出均为恒定直流，因此中间电容的电压的平均值也为恒定值即输入电压与输出电压之和。为保证系统的稳定性和可靠性，通常中间电容电压的取值比较大，使其尽量平稳；其计算公式与输入输出电感值密切相关。而在逆变电路中，即使稳态工作输出电压也是交流的，因此中间电容电压不可能是平稳的。当然电容值取得越大，其支撑能力越强，输出波形的品质越高。但电容值过大时，需选用电解电容；这样一来限制了电路的通流能力，二来也影响电路的使用寿命。为此，在选取中间电容时，应在留有充分裕量以满足输出波形品质需要的条件下，尽量降低取值。

至于输出电容C_f，考虑到输出为交流，可将L₃和C_f按交流低通滤波器设计。由于L₃已经确定，C_f只要满足相关的带宽需要即可。

3.并联双Cuk逆变器的技术分析

并联双Cuk逆变器由两个Cuk变换器组合而成，因此继承了Cuk变换器可升降压的特点，可以适应于宽范围变化的输入电压。除此之外，并联双Cuk逆变器还具有以下特点：

1）由于输入电感L₁和L₂的存在，该逆变器高频开关VT₁和VT₂之间无须加入死区时间，因而输出畸变较小。

2）由于该逆变器采用单极性调制方式，任意时刻只有一个开关器件处于高频工作模式，因而开关损耗小。

3）由于该逆变器中两Cuk变换器采用半周期互补工作方式，同一时刻只有一个Cuk变换器工作，因而两Cuk变换器之间没有环流损耗。

4）同样由于该逆变器采用单极性互补工作方式，两Cuk变换器之间没有功率流动，在加之Cuk变换器本身的升降压能力，因而在一定范围内即使该逆变器的两输入电压不相等也能保持正常工作。

5）该逆变器采用半桥式输入，且输入输出共地，易于扩展为三相电路。

6）该逆变器为并联输出且输出公用电感，可视为电流输出型逆变器，易于并联和并网。

以上分析中双Cuk逆变器采用双电源供电，实际上该逆变器也可以采用单电源供电，如图3-93所示。其电路的工作原理与双电源供电时基本相同，只是需要增加输入的均压控制。

图3-93 单电源供电的并联双Cuk逆变器