电流滞环控制半桥双降压式逆变器输出滤波器设计

第 27卷 第 13期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.27 No.13 May 2007 2007年 5月 Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 13-0098-06 中图分类号：TM464 文献标识码：A 学科分类号：470×40 电流滞环控制半桥双降压式逆变器 输出滤波器设计 马海啸，龚春英，严仰光 （南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏省 南京市 210016） Output Filter Design of Half Bridge Dual-buck Inverter Using Hysteresis Current Controller MA Hai-xiao, GONG Chun-ying, YAN Yang-guang （Aero-power sci-tech Center Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China） ABSTRACT：Hysteresis current control method has the characters of simple implementation, a rapid dynamic response and unconditional stability. But this control method made the switching frequency varying widely. So it was difficult to design the output filter of the inverter. Almost no one has expressed how to design this kind of output filter. In this paper a design method of half bridge dual buck inverter’s output filter based on hysteresis current control was presented. In this method how to choose the inductor optimally based on short circuit function and the voltage drop, how to choose the capacitor optimally based on resonant frequency and the compensation of reactive power, were presented. A 500VA prototype was designed. The results of the experiment verified the filter designed by this method had well effect, made the inverter have accurate the precision of voltage and high efficiency. KEY WORDS: hysteresis current control; filter; half bridge dual buck inverter; switching frequency; resonant frequency; reactive power 摘要：电流滞环控制具有易于实现、快速的动态响应和无条 件稳定等优点，但该控制方法使逆变器的开关频率不固定， 造成逆变器输出滤波器设计困难，因此很少有文献提及此种 滤波器的设计方法。该文研究了一种基于电流滞环控制的半 桥双降压式逆变器输出滤波器的设计方法。该方法从短路特 性和稳压精度两方面阐述了如何最优选取滤波电感，从谐振 频率和无功补偿两方面阐述了如何最优选取滤波电容。研制 了一台 500W的原理样机，通过实验验证了该设计方法设计 的滤波器具有良好的滤波性能，使逆变器取得了精确的稳压 精度和较高的效率。 关键词：电流滞环控制；滤波器；半桥双降压式逆变器；开 关频率；谐振频率；无功功率 0 引言 理想的电压源逆变器，其输出阻抗应为零，也 就是说输出滤波器在谐振频率处，滤波电感感值为 零，滤波电容的容值为无穷大[1]。可实际上这是不 可能的，因此输出滤波器设计的好坏直接影响逆变 器的电气性能。 具有固定开关频率特性的 PWM控制的逆变器 输出滤波器的设计已有很多文献进行了详细分 析[2-8]。文献[9-10]阐明电流滞环控制作为一种非线 性电流控制器具有实现简单，快速的动态响应和无 条件稳定等多个优点。但这种控制方式使逆变器的 开关频率不固定，变化的开关频率给输出滤波器的 合理设计带来很大的困难。文献[11]提及一种电流 滞环控制逆变器输出滤波器的设计方法,但该方法 仅以减小电流纹波和减小开关频率为目的,具有较 大的局限性。 半桥双降压式逆变器(简称双 BUCK 逆变 器)[12-13]是一种由两个类似 BUCK 的变换器组成的 半桥逆变电路，其独特的拓扑结构使其具有桥臂功 率管无直通问题，功率开关管和续流二极管分离， 便于实现功率开关管和续流二极管的分别最优选 取。电流滞环控制的双 BUCK 逆变器[14-15]克服了 SPWM 控制的双 BUCK 逆变器存在偏置电流的问 题，较理想的实现了两电感电流的自然切换和半周 期运行，提高了逆变器的效率。 本文以双 BUCK 逆变器输出滤波器为实验平 台，研究一种电流滞环控制逆变器输出滤波器的设 计方法，最后通过实验对设计方法的正确性进行验 证。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 102 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27卷 (不含基波频率，最低次谐波频率为 800Hz)的具体 数据。 可以看到在各种负载条件下该滤波器对高于 其谐振频率的谐波产生了滤波作用，尤其是将高于 15kHz的高次谐波均衰减了 10倍以上，滤波效果明显。 空载 额定阻性负载 额定感性负载 额定容性负载 0 10 20 30 40 50 f/Hz 0 4 8 12 电 压 有 效 值 /V (a) 调制电压谐波频谱图 空载 额定阻性负载 额定感性负载 额定容性负载 0 10 20 30 40 50 f/Hz (b) 输出电压谐波频谱图 0 0.4 0.8 1.2 电 压 有 效 值 /V 图 7电压谐波频谱 Fig. 7 Harmonic spectrum of voltage 图 8 为逆变器空载和阻性满载条件下实验波 形。 Uo 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示输出电压； 2DSU 表示功率管 2S 漏源电 压； 1Li 表示 1L 流过电流； 2Li 表示 2L 流过电流。 400ms/格 t/ms (a) 空载实验波形 2A /格 2 A /格 4 00 V /格 1 00 V /格 Uo UDS2 iL1 iL2 400ms/格 t/ms 5A /格 5 A /格 4 00 V /格 1 00 V /格 Uo UDS2 iL1 iL2 (b) 阻性满载实验波形 u/V i/A u/V i/A 图 8 逆变器实验波形 Fig. 8 Experimental waveforms of the inverter 可以看到输出电压波形的正弦度很高，hTHD较 小。 1Li 正半周工作， 2Li 负半周工作，滞环宽度在 2A左右，与设计相符。因此该波形既证明了滞环电 流控制双 BUCK 逆变器两滤波电感半周期工作的 独特工作原理，又再次证明所设计的输出滤波器具 有良好的滤波效果。 图 9为输出电压随负载变化曲线，可以看到无 论是阻性、感性还是容性负载条件下其输出电压变 化量均不大于 2V，逆变器具有良好的稳压精度。 图 10 为逆变器短路实验波形，其各通道所代 表的变量与图 8相同。样机在此条件下能正常运行 5s，同样证明了滤波电感的设计是合理的。 输出视在功率/VA 输 出 电 压 /V 阻性负载 功率因数 0.75感性负载 功率因数 0.75容性负载 0 200 400 600 114 115 116 117 图 9输出电压随负载变化曲线 Fig. 9 Relation curve of output voltage and load 5A /格 5 A /格 4 00 V /格 1 00 V /格 400ms/格 t/ms Uo UDS2 iL1 iL2 u/V i/A 图 10逆变器短路实验波形 Fig. 10 Short circuit waveforms of the inverter 图 11、图 12分别给出了滤波电容容值对逆变 器效率、输出电压hTHD的影响曲线，从图中看到， 大的容值有利于减小输出电压hTHD，但降低了逆变 输出功率/W 0 200 400 600 92 94 96 hTHD 90 Co=4.3mF Co=7.6mF Co=9.9mF 98 图 11 逆变器效率曲线 Fig. 11 Efficiency curve of the inverter PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 万方数据 第 13期 马海啸等： 电流滞环控制半桥双降压式逆变器输出滤波器设计 103 输出功率/W 0 200 400 600 0.4 0.8 1.2 hTHD 0 Co=4.3mF Co=7.6mF Co=9.9mF 图 12输出电压hTHD曲线 Fig. 12 hTHD curve of output voltage 器的效率，因此在能保证滤波效果的前提下，应选 择小容量的滤波电容。 5 结论 本文以双 BUCK 逆变器输出滤波器为实验平 台，针对电流滞环控制逆变器输出滤波器设计困难 的缺点，详细阐明一种简单实用的输出滤波器设计 方法。该方法从短路特性和稳压精度两方面阐述了 如何选取滤波电感，从谐振频率和无功补偿两方面 阐述了如何选取滤波电容。最后通过实验取得的良 好效果证明了该设计的正确性。 参考文献 [1] Kim J，Choi J， Hong H．Output LC filter design of voltage source inverter considering the performance of controller[C]． International Conference on Power System Technology[C]．South Korea，2000． [2] Dahono P A， Purwadi A，Qamatuzzaman．An LC filter design method for Single-phase PWM inverters[C] International Conference on Power Electronics and Drive Systems，Indonesia，1995． [3] 姜彦姝，徐殿国，刘宇，等．一种新颖的逆变器输出无源滤波器的 研究[J]．中国电机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报，2004，24(11)：71-75． Jiang Yan Shu，Xu Dian Guo，Liu Yu，et al．Research on a novel inverter output passive filter[J]．Proceedings of the CSEE，2004，24(11)： 71-75(in Chinese)． [4] 王毅，李和明，石新春，等．多电平PWM逆变器谐波分析与输出滤 波器设计[J]．中国电机工程学报，2003， 23(10)：78-82． Wang Yi，Li Heming，Shi Xinchun，et al．Harmonic analysis and output filter design for multilevel PWM inverter[J]．Proceedings of the CSEE， 2003，23(10)：78-82(in Chinese)． [5]宋强，刘文华，严干贵，等．大容量PWM电压源逆变器的LC 滤波器 设计[J]．清华大学学报(自然科学版)，2003，43(3)：345-348． Song Qiang，Liu Wen Hua，Yang gan gui，et al．LC filter design for high-power PWM voltage source inverter[J]． Journal of Tsinghua university (Sci & Tech)，2003，43(3)：345-348(in Chinese)． [6] 陈道炼，李磊，胡育文．双极性移相控制电压源高频交流环节变换 器研究[J]．中国电机工程学报，2002，22(9)：69-73． Chen Daolian，Li Lei，Hu Yuwen．Research on the bi-polarity phase-shift controlled voltage mode AC/AC converters with high frequency AC link[J]．Proceedings of the CSEE，2002，22(9)：69-73(in Chinese)． [7] 陈道炼，张友军．单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究 [J]．中国电机工程学报，2003，23(4)：27-30． Chen Dao Lian，Zhang You Jun．Research on uni-polarity phase shifting controlled inverters with high frequency pulse AC link[J]．Proceedings of the CSEE，2003，23(4)：27-30(in Chinese)． [8] 伍家驹，张朝燕，任吉林，等．一种用于PWM逆变器的非对称T型 滤波器的设计方法[J]．中国电机工程学报，2005，25(14)：35-40． Wu Jia Ju，Zhang Chao Yan，Ren Ji Lin，et al．A method for designing non-symmetry T-net work filter used in PWM inverters[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(14)：35-40(in Chinese)． [9] Bode G H， Holmes D G．Implementation of three level hysteresis current control for a single phase voltage source inverter[C]．IEEE Power Electronics Specialists Conference， Australia， 2000． [10] Rahman K M，Rezwan Khan M．Variable band hysteresis current controllers for pwm voltage source inverters[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，1997，12(6)：964-970． [11] Karybakas C A， Kosmatopoulos C A．Filter design method for a PWM feedback inverter systerm[J] ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，1993，11(3)：364-372． [12] Stanley G R， Bradshaw K M．Precision DC-to-AC power conversion by optimization of the output current waveform-the half bridge revisited [J]．IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(2)：372-380． [13] Stanley G R．Opposed current power converter[P]．U．S ，Patent： 5657219，1997． [14] 刘军，严仰光．一种新颖的滞环电流型双降压式半桥逆变器[J]．南 京航空航天大学学报，2003，35(2)：122-126． Liu Jun，Yan Yang Guang ．Novel current mode controlled bi-buck half bridge inverter[J]．Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2003，35(2)：122-126(in Chinese)． [15] 洪峰，刘军．滞环电流控制型双BUCK逆变器[J]．电工技术学报， 2004，19(8)：73-77． Hong Feng，Liu Jun．Hysteresis current controled dual buck half bridge inverter[J]．Trans of China Electrotechnical Society，2004，19(8)： 73-77(in Chinese)． 收稿日期：2006-11-28。 作者简介： 马海啸(1980—)，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动 ， seaquake1980@163.com； 龚春英(1965—)，教授，博士研究生导师，研究方向为电力电子与 电力传动； 严仰光(1935—)教授，博士研究生导师，研究方向为电力电子与电 力传动。 （编辑 王彦骏） PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 万方数据 电流滞环控制半桥双降压式逆变器输出滤波器设计 作者： 马海啸， 龚春英， 严仰光， MA Hai-xiao， GONG Chun-ying， YAN Yang-guang 作者单位： 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室,江苏省南京市210016 刊名： 中国电机工程学报 英文刊名： PROCEEDINGS OF THE CHINESE SOCIETY FOR ELECTRICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2007,27(13) 被引用次数： 1次 参考文献(15条) 1.洪峰;刘军 滞环电流控制型双BUCK逆变器[期刊论文]-电工技术学报 2004(08) 2.刘军;严仰光 一种新颖的滞环电流型双降压式半桥逆变器[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2003(02) 3.Kim J;Choi J;Hong H Output LC filter design of voltage source inverter considering the performance of controller[外文 会议] 2000 4.Bode G H;Holmes D G Implementation of three level hysteresis current control for a single phase voltage source inverter[外文会议] 2000 5.伍家驹;张朝燕;任吉林 一种用于PWM逆变器的非对称T型滤波器的设计方法[期刊论文]-中国电机工程学报 2005(14) 6.陈道炼;张友军 单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2003(04) 7.陈道炼;李磊;胡育文 双极性移相控制电压源高频交流环节变换器研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2002(09) 8.宋强;刘文华;严干贵 大容量PWM电压源逆变器的LC 滤波器设计[期刊论文]-清华大学学报(自然科学版) 2003(03) 9.王毅;李和明;石新春 多电平PWM逆变器谐波分析与输出滤波器设计[期刊论文]-中国电机工程学报 2003(10) 10.姜彦姝;徐殿国;刘宇 一种新颖的逆变器输出无源滤波器的研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2004(11) 11.Dahono P A;Purwadi A Qamatuzzaman An LC filter design method for Single-phase PWM inverters[外文会议] 1995 12.Stanley G R Opposed current power converter 1997 13.Stanley G R;Bradshaw K M Precision DC-to-AC power conversion by optimization of the output current waveform-the half bridge revisited[外文期刊] 1999(02) 14.Karybakas C A;Kosmatopoulos C A Filter design method for a PWM feedback inverter systerm 1993(03) 15.Rahman K M;Rezwan Khan M Variable band hysteresis current controllers for pwm voltage source inverters 1997(06) 引证文献(1条) 1.张方华.龚春英 高效率模块化航空静止变流器的研制[期刊论文]-航空学报 2009(6) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgdjgcxb200713018.aspx