基于SPWM调制的双BOOST单级DC-AC电路研究 闫朝阳李建霞郑颖楠邬伟扬
燕山大学电气工程学院，秦皇岛 066004
Email：yanzy@ysu.edu
摘要：文章在对双BOOST DC-AC单级正弦波逆变电路工作原理进行分析的基础上，采用SPWM调制技术对其进行了仿真和试验研究，给出了相关结果。实践表明该电路可以实现高频功率变换下的单级升压工频逆变输出。 关键字：双BOOST,DC-AC，单级，逆变，SPWM.
Research of Dual-Boost single stage DC-AC Converter
Based on SPWM
Yan Zhaoyang, Li Jianxia, Zheng Yingnan, Wu Weiyang
Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
Abstract Adopted the SPWM Modulation method to the Boost DC/AC single stage inverter circuit with 50Hz frequency sinwave, the simulation and experiment results of it have been got. The work principle of the circuit also have been analysed . It has been proved that the single stage inverter circuit could achieve boost character with a high switching frequency. Keywords Dual-Boost，DC-AC，single stage，inverter, SPWM. .
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1.引言
通常, 非隔离式DC/ AC 单级变换器, 一般工作在降压输出状态。应用中, 多在其输出采用工频变压器匝比变换来实现进一步升压。与此同时也增大了功率装置的体积和重量。
对非隔离式DC/ AC 单级变换器, 委内瑞拉的Ram ón O Cacers 和巴西的Ivo Barbi提出了种新颖的单级升压型逆变器(双BOOST 逆变器)。这种电路可以通过不断变化的占空比D来获得幅度高于直流输入电压的正弦波输出[1]。其文献采用了滑模变结构的非线性控制方法，与此不同，本文采用DC/ AC变换中常用的spw的调制方法[2][3]，对电路进行了分析、仿真及试验研究，实验结果比较理想。 国家自然基金项目（资助号50237020）2.电路原理分析
2.1 双Boost DC/AC单级变换电路拓扑结构
双boost单级逆变电路的主电路拓扑如图1所示：它由两个电流双向流动的Boost DC/DC变换电路组成，左右两个部分的电路是对称的,C1=C2,L1=L2。负载R跨接在两个电容之间，通过两边电流的双向流动，从而在负载上实现交流工频电压输出的效果。开关M1、M2、M3和M4均为由MOSFET 和二极管组成的能量可以双向流动的可控开关。 2.2 工作原理及脉宽控制 (SPWM)
控制实现原理如下图（2）所示：图（a）将主电路左右分解为两个boost升压电路，两个升压电路的输出波形V1和V2分别为图（b）和图（c）所示，两者变换规律一致但相位相差180度，因此，二者共同作用于负载R上时则能产生如图（d）所示的工频交流电压。
C2
图1双Boost DC/AC 变换器拓扑结构 Fig.1Topology of Boost DC/AC converter
眼力大考验
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(a)
(b)
(c)
(d)
图2双Boost DC/AC 基本工作原理 Fig.2 Basic principle of Boost DC/AC
相关理论分析如下:
对于BOOST DC/DC 变换器来讲，在电流连续的工作状态下，平均电压间关系可以表示为[4]：
11
1in V V D
=
− (1) 其中，D 为占空比。
两者相位差为180度，则BOOST 逆变器的输出电压为：
121in in o V V
V V V D D
=−=
−− (2) 增益为:
21
(1)
o in V D V D D −=
− (3) 故根据上式(3)可知，改变开关的占空比可以达到负载电压的升与降的目的。
2.3 工作模式分析西安建筑科技大学张婷
为了分析方便, 设图1 中的电感电流iL 1为正、iL 2为负, 且工作在电感电流连续模式, 在稳压情况下, 实
际的开关驱动波形如图3 所示, 考虑“死区”时间，可分为五段分析[2]。开关触发脉冲如下图3（a ）所示。
（1）0～ t 0 时段：这时, Ub1 、Ub4 为高电平,Ub2 、Ub3为低电平。由假设的电感电流方向可知Q1 、Q4 导通,
iL 1 、iL 2分别从续流二极管VD2 、VD3转移至Q1 和Q4 。其等效电路如图3 所示。
(2) t0～ t1 时段(死区)：此时, Ub1～ Ub4均为低电平。由于电感电流方向不能突变, 故在Q1 、Q4 关断的同时, iL 1 、iL 2 分别转移至二极管VD2 、VD3 续流。其等效电路为图3 的对偶结构，即将图3 中的L 1 、C 1 分别换为L 2 、C 2 。
(3) t1～ t2 时段：此时，Ub1 、Ub4为低电平,Ub2 、Ub3为高电平。由假设的电感电流方向可知:iL 1 、iL 2仍分别通过VD2 、VD3 流动, 即由于电感电流没有换向, 所以，Q2 、Q3 的控制信号虽有效, 但Q2 、Q3 并不能导通。等效电路和状态方程仍如t 0～t 1 时段所示。
(4) t2～ t3 时段(死区)：此时, Ub1～ Ub4均为低电平。由于电感电流方向不能突变, iL 1 、iL 2仍分别通过VD2 、
VD3 续流, 等效电路和状态方程也和t 0～ t 1 时段一样。即t 0～ t 1 内的三个时间段，该电路具有相同
的等效电路和状态方程, 因此采用式(1) 描述是合理的。
(5) 在t 3 之后, 重复以上的工作过程。当iL 1 、iL 2换向
后, Q2 、Q3 才能在控制信号的作用下导通和关断, 同时Q1 、Q4 将一直保持关断状态,iL 1 、iL 2则分别通过VD1 、VD4 续流。
t
t Um1
Um2
（a
）触发脉冲
（b ）等效电路
（c ）等效电路 图3 电路工作原理分析图 Fig3.The work principle of the circuit
3.仿真结果
设计仿真采用PSPICE 软件实现，SPWM 调制波采用正弦波给定和三角载波波调制而成。四个开关管的触发脉冲关系为：
4341b b b b U U U U === (4)
因此在产生一路SPWM 触发脉冲后，经过简单的信号分配即可。这相对于原文献中两套电路两套触发
脉冲发生逻辑的方案较为简单，在实现工程中也较为容易。
仿真参数：载波频率：50kHz 。调制波：50Hz 。L1＝L2＝
800uH ，C1＝C2＝
5uF ，Rload
＝600。仿真用电路图如下图所示：
仿真结果如图5所示：图（a ）是左右两套BOOST 电路产生的电压和负载上的电压关系。图（b ）为SPWM 调制中给定正弦波与输出电压关系对比。
图4 电路仿真图 Fig4.The simulink circuit
(a)
（b ） 图5 仿真结果 Fig5.The simulation result
4.实验结果
为了验证上述分析及仿真结果的正确及可实现行性，本文进行了试验验证。
试验电路的参数为：L1＝L2=800uH,C1=C2=5.5uF。以下各图分别给出了：单级逆变器输出负载电流和负载电压；一侧电感电流和输出负载电压；一侧功率MOSFET的漏源电压和输出负载电压及其局部展开放大。可见实验结果和仿真结果取得了较好吻合。
（左a）带负载时输出电流（上）与输出电压（下）
（右b）输出电压（下）和升压电感L2上的电流
坐标:X(5ms/div)Y(左99、100-2A/div、20V/div，右95、96-20V/div、2A/div)
（左c）输出电压（下）和开关管M2上电压（全局）
（右c）输出电压（下）和开关管M2上电压（局部）坐标:X(5ms/div)Y(左1、2-100V/div，右3、4-100V/div)
图6 试验波形
科协论坛Fig6.The result of experiment 5.结束语
从仿真和实验结果可知，基于SPWM调制的双BOOST 单级DC-AC 电路实现方案是可行的，可以实现高频功率变换下的单级升压和降压工频逆变输出。实验中输出电压电流波形的正弦度较好，THD值也较小。预期该电路可以用于非隔离式UPS，通信电源和电气传动装置中。
参考文献
[1]Ram ón O Cacers , Ivo Barbi. A boost DC/AC converter :analysis,
design and experimentation. IEEE Transactions On Electronics,
Apr 2002, V ol. 49, (2), Power Electronics , 1999 , 14 (1)
Page(s):276 – 288
[2] 孙驰，林洁，朱忠尼.SPWM 组合式BOOST DC/ AC 变换器研究.
电工技术杂志. 2001, 6.
[3] 吴守箴, 臧英杰. 电气传动中的脉宽调制控制技术. 北京∶
胡杨泪的启发机械工业出版社, 1998.
[4] 王兆安，黄俊. 电力电子变流技术. 北京∶机械工业出版社,
2001.
作者简介：
闫朝阳：男，1976，博士研究生，燕山大学电气工程学院讲师，研究方向为电力电子与电力传动；
李建霞：女，1981，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动；
郑颖楠：男，1955，燕山大学电气工程学院教授，研究方向为电力电子与电力传动；
邬伟扬：男，1940，燕山大学电气工程学院教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。
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