一种多功能逆变电源的设计与证实

1 引言
    随着现代科技的发展，逆变电源广泛应用到各行各业，进而对其性能提出了更高的要求。传统的逆变电源多为模拟控制或数字相结合的控制系统。好的逆变电源电压输出波形主要包括稳态精度高，动态性能好等方面。目前逆变器结构和控制，能得到良好的正弦输出电压波形，但对突变较快的波形，效果不是很理想。
    函数信号发生器，是实验教学中常用的设备。能产生不同频率和电压等级的波形：方波信号，三角波，正弦信号波形。近年兴起的一种新的DDS技术，即直接数字频率合成技术。但是他们都为小信号波，没有功率输出，不能带一定的负载。
    本文提出的多功能逆变电源，主电路采用二重单相全桥逆变器结构，输出的电压波形对给出的参考波形跟踪，有功率输出，能带一定的负载。控制采用加入微分环节的滞环控制，完全实现数字化控制。
    2 主电路设计
    多功能逆变电源原理如图1，有两部分组成：主电路和控制部分。其中主电路的参考信号，可以与计算机通信或者其他电路得到。
   
    图1 多功能逆变电源原理
    在主电路的设计上借鉴了多重逆变器结构，采用了二重单相全桥逆变器连接。原理图如图2。两个逆变器直流侧电压不相同，主逆变器的直流侧电压为Udc，从逆变器的直流侧电压为3Udc。输电电压波形共有9个电平组成：±4Udc，±3Udc，±2Udc，±Udc，0。由于输出电平的数量多于单个逆变器,输出波形较好。主逆变器工作为较高频率，从逆变器工作频率较低，极大的降低开关损耗。在参考波形变化缓慢阶段，只需要主逆变桥工作，就能很好的跟踪参考信号;当参考信号变化相当快速的时刻，需要辅助逆变桥和主逆变桥同时工作，快速精确跟踪参考信号。
   
    图2 二重级联单相全桥逆变器拓扑
    3 控制设计
    在控制部分采用滞环完全数字化控制。滞环控制响应速度快、准确度较高、跟踪精度高，输出电压不含特定频率的谐波分量等特点，能够使用DSP实现数字化控制。对于主电路的主逆变器和从逆变器采用滞环控制。  
   
    图3 滞环控制原理
    如图3所示，主开关的滞环宽度为h，从开关管的滞环宽度为hs，且hs>h。主逆变器一直工作，开关管V1和V4;V2和V3交替导通关断。从逆变器有三种工作状态。在t1~t2时刻，误差电压并没有超过从逆变器的滞环宽度，只需要主逆变器工作，四个开关管都关断;在t3时刻，误差电压△u>hs,开关管VS2和VS3导通，开关管VS1和VS4关断;t4时刻误差电压-△u<-hs开关管VS1和VS4导通，开关管VS2和VS3关断。
    考虑到跟随突变信号时跟随困难的情况，在滞环控制器前引入了微分环节，如图4所示，以改善跟随效果。
   
    图4 带微分环节的滞环控制

    引入微分环节后，根据图1和图2所示，对主逆变器滞环控制策略为：
   
    式中：T为微分时间常数。
    上述不等号取等号情况，则实际环宽h′为：
   
    当稳态或者电压变化率不大时微分环节很小，可忽略，h′较大;当电压突变时微分环节将很大，不能忽略，h′较小，u迅速跟踪Uref。加入微分环节实际上就是改变滞环宽度。从逆变器滞环控制也采用相同原理。
    3 仿真
    利用Matlab，根据所提出主电路和控制设计建立模型。对图1的二重级联单相全桥逆变器进行仿真，负载为阻感型。
    参考信号为正弦波，周期T为0.02s，最大值为50V。输出电压波形如图5所示。
      
    图5 参考信号为正弦波输出电压
    参考信号为三角波，电压最大值为70V，输出电压如图6所示。
   
    图6 参考信号为三角波输出电压
    从图5和图6看出，当参考信号为变化不是很快的正弦波和三角波信号时，逆变电源的输出电压能精确跟踪。
    参考信号为阶梯波，输出电压波形如图7所示。
   
    图7 参考信号为方波输出电压
    参考电压信号为方波时，电压值为70V。输出电压波形如图8所示。
   
    图8 参考信号为方波输出电压
    当参考信号为阶梯波或方波，方波和阶梯波有突变时刻，逆变电源的输出电压也能很好跟踪参考信号。从图7和图8看出，输出电压是质量很好的阶梯波和方波，可作为电压源使用。
    4 结论
    多功能逆变电源，主电路采用二重级联单相全桥逆变器结构，输出的电压波形对给出参考波形跟踪，有功率输出，能带一定的负载，可直接作为电压源使用。控制采用加入微分环节的滞环控制，完全实现数字化控制。最后通过Matlab仿真，证实设计的多功能逆变电源是可行的。