改进型Dual-Buck逆变器

周力为，魏然，周科，高峰

（1.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061；2.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272129）

改进型Dual-Buck逆变器

周力为1，魏然2，周科2，高峰1

（1.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061；2.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272129）

在逆变系统中，电路运行的可靠性是拓扑设计需要考虑的主要指标之一。在电路工作过程中，例如直通或者反向恢复过慢等问题会直接影响一个电路工作的可靠性。Dual-Buck逆变器能够在不加死区保护的情况下解决以上的问题。但是较低的电感利用率使得整个系统的体积和重量增大。首先总结了几种传统的Dual-Buck电路拓扑以及一种单电感结构的Dual-Buck逆变器。然后提出了能够改善基于MOSFET逆变器可靠性的方法。新型的方法在保留传统Dual-Buck逆变器高可靠性的基础上解决了电感利用率低的问题，而且相比于之前的单电感Dual-Buck逆变器损耗更小，控制复杂度更低，具有较为实际的应用价值。最后，仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

Dual-Buck逆变器；死区保护；反向恢复

随着新能源发电技术的迅速发展，逆变电路运行的可靠性受到越来越广泛的关注。然而，直通问题对电路的可靠性来说是主要威胁。传统的解决电路直通危险的方法是增加死区。然而，死区会导致输出电流波形的畸变，而且，在死区时间内，电流可能会流经开关的体二极管从而导致反向恢复失败［1］。

为了解决上述问题，Dual-Buck逆变器是一种能够改善电路可靠性的拓扑。通过并联2组单相Buck电路，Dual-Buck逆变器能够避免直通的危险，而且续流电流会流经独立的二极管，从而解决MOSFET体二极管的反向恢复问题。然而，Dual-Buck逆变器的主要缺点是电感利用率较低，在每个工作模式下只有一半的电感得到利用，增加了系统的成本和体积［2-4］。

为了改善Dual-Buck拓扑的电感利用率，文献［5］提出了一种基于单电感的Dual-Buck逆变器。此电路能够对电感进行充分利用。但是相比于传统电路增加了2个开关，在续流状态下电流流经4个开关，因此导通损耗会有所增加，不利于整体效率的提升。

本文提出一种改善逆变器可靠性的方法，尤其是针对基于MOSFET的逆变器电路。提出的方法分为2种电路结构，分别为无缓冲电感的Dual-Buck桥臂和带缓冲电感的Dual-Buck桥臂。将上述2种桥臂结构应用于全桥逆变器中所构成的新型电路拓扑具有以下优势：

1）保持了传统Dual-Buck电路的高可靠性，在不加死区的情况下无直通危险；

2）新型电路能够大幅提高Dual-Buck结构的电感利用率；

3）提出的电路相比于文献［5］中的结构节省了2个开关，从而具有更低的导通损耗和更为简单的控制策略。仿真和实验验证了理论分析的可行性。

1 改进型Dual-Buck逆变器

图1所示为几种传统的Dual-Buck逆变器电路［6-7］。Dual-Buck拓扑的主要缺点是电感利用率只有50%，为了解决这个问题，给出了图2所示的一种单电感Dual-Buck结构。这种逆变器虽然能够充分利用电感，但是额外增加的2个开关增加了导通损耗和控制复杂度，而且反向串联的2个开关在流通电流时也会存在反向恢复的问题。

图1 几种Dual-Buck逆变器Fig.1 Several Dual-Buck inverters

图2 单电感Dual-Buck逆变器Fig.2 Dual-Buck full bridge inverter with single inductor

为了解决上述直通以及反向恢复等问题，本文提出了2种新型的Dual-Buck电路，新型拓扑保留了传统Dual-Buck逆变器的优点，而且能够解决电感利用率较低的问题，相比于文献［5］中的单电感电路具有导通损耗小，控制复杂度低等优势。

1.1 改进型无缓冲电感Dual-Buck逆变电路

本节提出一种改进型单电感桥臂，图3所示为传统Dual-Buck桥臂和改进型的单电感桥臂。可以看出传统Dual-Buck结构的2个电感被2个二极管和1个电感代替，将改进桥臂应用于全桥逆变器中得到如图4所示新型电路结构。相比于文献［5］中所示的结构，本文提出的拓扑节省了2个开关，具有更低的导通损耗和控制复杂度。

图3 两种桥臂拓扑Fig.3 Two kinds of phase leg topologies

图4 提出的无缓冲电感Dual-Buck逆变器Fig.4 Proposed Dual-Buck full bridge inverters without the buffer inductor

提出电路的4种工作状态如图5所示，一种简单的单极性正弦载波调制策略可以用于控制此电路的开关动作。下面对4种工作模式进行分析：

模式1：在电网电压正半周期，S1高频动作，S4保持导通，当S1和S4均导通时，电流依次流经S1，电网和S4；

模式2：当S1关断，电流依次流经D2、电网和S4。如图5b所示，在续流阶段，二极管D4阻止了电流流经开关管S2的体二极管，从而避免了MOSFET反向恢复失败导致的直通问题；

模式3：在电网电压负半周期，S2高频动作，S3保持导通，当S2和S3均导通时，电流依次流经S3，电网和S2；

模式4：当S2关断，电流依次流经S3、电网和D1。如图5d所示，在续流阶段，二极管D3阻止了电流流经开关管S1的体二极管，从而避免了MOSFET反向恢复失败导致的直通问题。

图6所示为提出电路的开关信号波形图。

图5 提出逆变器的4种工作模式Fig.5 Four working modes of the proposed Dual-Buck full bridge inverter

图6 提出逆变器的开关信号Fig.6 The switching signals of the proposed inverters

1.2 改进型缓冲电感Dual-Buck逆变电路

本节提出另一种基于缓冲电感的Dual-Buck逆变电路，如图7所示为提出的改进型缓冲电感Dual-Buck逆变器。通过在传统Dual-Buck桥臂中间增加1个感值很小的缓冲电感也可以有效提高电路的可靠性并且避免直通以及反向恢复问题。

图8所示为基于缓冲电感Dual-Buck逆变器的4种工作模式，同样一种简单的单极性调制策略可以控制该电路的运行。值得注意的是在续流阶段，缓冲电感具有阻止电流流向MOSFET体二极管的作用，从而避免了反向恢复过慢带来的直通危险。以负半周期为例，如图8d所示，电流依次流经S3、电网和D1，由于缓冲电感中电流无法突变，因此，电流不会在由图8c模态转向图8d模态时流经S1的体二极管，从而解决了反向恢复问题，可靠性得到改善。此外，缓冲电感感值远小于滤波电感，因此此电路的电感利用率相比传统Dual-Buck电路有大幅度提升，而且相比于文献［5］所示的单电感Dual-Buck逆变器节省2个开关，具有更低的导通损耗和更为简单的控制方式。

图8 提出电路的4种工作模式Fig.8 Four working modes of the proposed Dual-Buck full bridge inverter

1.3 两种改进型Dual-Buck逆变器的对比分析

下面对提出的2种改进型Dual-Buck逆变器进行对比分析。首先在电感利用率方面，2种结构都能够大幅度提升传统Dual-Buck逆变器的电感利用率，节省了成本和体积。其次，无缓冲电感结构仅需要1个滤波电感，因此节省了电感铁心，仅需要增加2个二极管来提供续流回路，虽然一定程度上增加了导通损耗，但是相比于文献［5］中的单电感结构在效率方面仍然具有一定的优势。最后，基于缓冲电感的结构虽然增加了1个感值较小的电感，但是没有增加额外的器件导通损耗，所以效率上具有优势，而且电感利用率为95.5%，相比传统Dual-Buck逆变器有大幅度改善。所以本文提出的2种改进型结构各有优点，具有实际的应用价值。

2 仿真及实验验证

通过Matlab/Simulink对本文提出的2种新型Dual-Buck电路进行仿真验证。电路参数为：直流电压400 V，并入电网220 V/50 Hz，开关频率选取10 kHz，输出滤波电感2 mH，缓冲电感0.2 mH，并网电流通过1个PR控制器进行闭环控制。图9所示为仿真波形图，图9a和图9b分别为无缓冲电感型电路和基于缓冲电感电路的并网电流、电网电压以及输出电压波形。

图9 仿真波形Fig.9 The simulations waveforms

图10给出了提出的2种电路结构的并网电流畸变率的仿真结果，其中图10a为无缓冲电感Dual-Buck逆变器的并网电流波形畸变率，图10b为基于缓冲电感Dual-Buck逆变器的并网电流波形畸变率，可以看出两种逆变器的THD均在5%以内，符合并网标准的要求。

为了进一步验证所提出方法的可行性，搭建了逆变器样机进行实验分析，电路参数同仿真模型相同，对应的实验波形如图11a和图11b所示。其中，ug为电网电压，il为并网电流，uab为输出桥臂输出电压。

图10 并网电流波形畸变率Fig.10 The grid connected current distortion rates of the proposed inverter

图11 实验波形Fig.11 The experimental waveforms

3 结论

本文提出了基于改进型的Dual-Buck逆变电路，通过对传统Dual-Buck逆变电路进行改造，并增加额外的2个二极管或者1个缓冲电感可以解决直通或者反向恢复的问题，从而提高电路运行的可靠性，另外，本文所提拓扑解决了传统Dual-Buck电路电感利用率小的问题，并且相比于已经提出的单电感Dual-Buck结构具有更低的导通损耗和更简单的控制方式。

［1］Kerekes，Teodorescu R，Rodriguez P，et al.A New High-effi⁃ ciency Single-phase Transformerless PV Inverter Topology.IEEE Trans.Ind.Electron，2011，58（1）：184-191.

［2］Zhu，Chenghua，Zhang Fanghua，Yan Yangguang.A Novel Split Phase Dual Buck Half Bridge Inverter［C］//in Proc20th IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2005（2）:845-849.

［3］Hong Feng，Ying Pei-pei，Wang Cheng-hua.Decoupling Con⁃trolof Input Voltage Balance for Diode-clamped Dual Buck Three-level Inverter［C］//in Proc.28th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Long Beach，California，USA，2013，482-488.

［4］Liu Miao，Hong Feng，Wang Cheng-hua.A Novel Flying-ca⁃pacitor Dual Buck Three-level Inverter［C］//in Proc.28th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Ex⁃position，Long Beach，California，USA，2013：502-506.

［5］Hong Feng，Liu Jun，Ji Baojian，et al.Single Inductor Dual Buck Full-Bridge Inverter［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.2015，62（8）：4869-4877.

［6］Chen B F，Sun P W，Liu C，et al.High Efficiency Transformer⁃less Photovoltaic Inverter with Wide-range Power Factor Capa⁃bility［C］//in Proc.of IEEE 27th Applied Power Electronics Conference and Exposition，Orlando，FL，Feb.2012.

［7］Gu B，Dominic J，Lai J S，et al.High Reliability and Efficien⁃cy Single-phase Transformerless Inverter for Grid-connected Photovoltaic Systems［J］.IEEE Trans.Power Electron，2013，28（5）：2235-2245.

修改稿日期：2016-05-15

Improved Dual-Buck Inverter

ZHOU Liwei1，WEI Ran2，ZHOU Ke2，GAO Feng1
（1.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jining Power Supply Company，Jining 272129，Shandong，China）

In an inversion system，high reliability is one of the main targets to design the topology.Some problems will threaten the reliability of the system，such as the shoot through issue and the failure of reverse recovery.The Dual-Buck inverters can solve the above problems without adding dead time，but the low utilization of the inductance increases the volume and weight of the system.Firstly reviewed the traditional Dual-Buck topologies and a single inductor Dual-Buck inverter which can make full use of the inductance.Then a method to improve the reliability of the MOSFET inverters was proposed.The novel method maintained the Dual-Buck inverter′s advantage of high reliability and can make full use of the inductance.Also，compared to the single inductor Dual-Buck inverter，the novel method could achieve lower conducting loss and simpler controlling strategy.Finally，the experimental results verify the theoretical analysis.

Dual-Buck inverter；dead-time protection；reverse recovery

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161105

周力为（1992-），男，硕士研究生，Email：18769785783@163.com

2015-09-28