基于DSP控制的高頻逆變器換流問題的研究

敬淇文

JING Qi-wen

（西南科技大學(xué)，綿陽 621010）

0 引言

近年來，高頻鏈逆變技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點[1]。一方面新能源的開發(fā)和利用，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等場合，DC/AC變換是不可或缺的[2]。同時傳統(tǒng)逆變技術(shù)存在著體積大、笨重等缺點，亟待新技術(shù)對上述缺點加以克服[3]。高頻鏈逆變技術(shù)實質(zhì)以高頻變壓器取代工頻變壓器，極大的減小逆變器的體積。另外，數(shù)字處理器的飛速發(fā)展提高了產(chǎn)品的集成度，通過修改軟件,可以很方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各種特性,這就增強了系統(tǒng)的柔性和智能性[4]。DSP中配置有CAN總線接口，這就使高頻逆變器的網(wǎng)絡(luò)化成為可能。高頻化，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化是逆變器發(fā)展的趨勢[5]。

極為典型的高頻鏈逆變器的電路拓撲就是全橋全波電路。全橋全波電路拓撲具有中間變換環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)簡單，整體變換效率和功率密度高的特點，所以應(yīng)用較為廣泛。

本文針對DSP控制的全橋全波電路拓撲中的關(guān)鍵問題進行詳細分析，并從軟件角度分別解決了周波變換器換流損耗大和高頻變壓器直流偏磁問題。有效的節(jié)約成本，減小開關(guān)損耗，進一步提高數(shù)字化高頻逆變器的整機性能。

1 全橋全波電路工作原理

全橋全波電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全橋全波電路拓撲

逆變器由DC/HFAC/LFAC 級聯(lián)而成。S1-S8均為功率開關(guān)管。進行數(shù)字化控制時，由DSP發(fā)出驅(qū)動脈沖信號，通過驅(qū)動電路對功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制，在DSP內(nèi)部完成調(diào)制波的調(diào)制，通過周波變換器實現(xiàn)解調(diào)。

2 高頻換流問題及其解決方案

基于DSP控制高頻逆變器存在著高頻工作狀態(tài)下周波變換器的換流問題。

2.1 開關(guān)損耗的產(chǎn)生機理

要求輸出為市電時，高頻變壓器實現(xiàn)蓄電池直流電壓和輸出電壓的匹配主要通過升壓的方式實現(xiàn)，周波變換器的功率開關(guān)管承受比較高的電壓，在高頻狀態(tài)下不斷切換導(dǎo)通與關(guān)斷的狀態(tài)，對開關(guān)管的損耗較大。

2.2 全橋全波電路控制策略優(yōu)化

實現(xiàn)全橋全波電路逆變功能的控制方法有很多，目前應(yīng)用比較廣泛的是正弦脈沖脈位控制策略（SPWPM）。采用該方法，前級高頻逆變器采用移相SPWM 控制，直流側(cè)逆變橋的開關(guān)管可以實現(xiàn)部分條件下的軟開關(guān)，但周波變換器開關(guān)管始終工作在同步的高頻開關(guān)狀態(tài)，因此使開關(guān)管損耗較大，降低效率，引起器件溫度升高，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，改變周波變換器的高頻控制，而采用50Hz的低頻控制。將極大地減小周波變換器的開關(guān)損耗，提高逆變器的效率和可靠性。實現(xiàn)該控制策略的時序邏輯如圖2所示。

圖2 驅(qū)動邏輯控制圖

從圖看出，高頻變壓器原邊的全橋逆變器采用載波為三角波的調(diào)制方式，DSP內(nèi)部運算后輸出PWM信號，驅(qū)動S1-S4四個功率開關(guān)管，在變壓器原邊出現(xiàn)高頻交替的占空比不一的脈沖。S5和S7，S6和S8分別公用一組互補的驅(qū)動信號。

2.3 電路工作狀態(tài)

上述控制方式下全橋全波電路有四個典型工作狀態(tài)。S1、S4共同導(dǎo)通， S2、S3與之高頻切換， S5、S6驅(qū)動信號與S7、S8互補，工作在工頻狀態(tài)。

以上四個狀態(tài)描述了周波變換器的工作過程。周波變換后的波形，經(jīng)過LC濾波器濾出低次諧波，在負載端輸出正弦波。

采用改進的DSP控制策略，對高頻逆變器有如下優(yōu)化：

1）控制方法簡單，同時由于周波變換器工作在工頻狀態(tài)，開關(guān)損耗大大減少，使逆變器效率增高，降低器件溫度，可靠性增加。

2）考慮全橋電路驅(qū)動，需要注意S1和S3，S2和S4的直通短路問題，這就需要設(shè)置死區(qū)時間，而這種控制方式自動避免了直通短路的問題。

3 物理實現(xiàn)和結(jié)果驗證

實驗的樣機參數(shù)：輸入電壓DC192V；交流輸出電壓單相交流220 V,50Hz；輸出容量為3 KVA；在逆變器供電時，穩(wěn)態(tài)電壓變化范圍±2%；在逆變器供電時，效率大于85%。為滿足逆變器的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在我們制作的樣機中，采用TMS320LF/2407作為處理器，該處理器主頻40MHz，2個事件管理器，6對PWM輸出，10個10位A/D轉(zhuǎn)換接口，1個CAN總線通信協(xié)議接口。該處理器能夠滿足處理速度、A/D精度、通信接口的等功能擴展的需求。功率開關(guān)管采用英飛凌公司的K40T120，該型號IGBT具有體積小，耐壓高的特點，便于系統(tǒng)集成。高頻變壓器頻率設(shè)定為20KHz，額定功率4KV·A。載波頻率設(shè)定為頻率20KHz的三角波。

純阻性負載條件下測得下列各個數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

輸出端波形圖如圖3所示。

4 結(jié)論

圖3 負載兩端電壓波形

本文利用高性能DSP芯片TMS320F2812研制了一套數(shù)字化高頻逆變電源系統(tǒng)，主電路采用全橋全波雙向電流源高頻鏈逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用瞬時電壓PI閉環(huán)控制策略。通過改進全橋全波電路控制時序，使得數(shù)字化高頻逆變器具有控制方案簡單、效率高、可靠性高等特點，提高了整機性能。在中等功率場合這種數(shù)字化高頻鏈逆變器有良好的應(yīng)用前景。

[1]HQANG M,LIN W,YING J.Novel current mode bi-directional high frequency link DC/AC converter for UPS.IEEE PESCπ98, 32(6)：1867-1871.

[2]John K,Pedersen.A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules.IEEE Trans.on Industry Applications,2005,41(5)：1292-1306.

[3]Thoegersen,F.Blaabjerg.Adjustable Speed Drives in The Next Decade Future Steps in Industry and Academia Journal of Electric Power Components and Systems,2004,32(1)：13-32.

[4]Peng Xu Design of voltage regulator modules with a novel integrated magnetic.IEEE Trans Power Elec[J].200217(6)：990-998.

[5]Yaosuo Xue,Liu chen Chang and Kier,"Topologies of Single-Phase Inverters for Small Distributed Power Generators ：An Overview",IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5).