SVPWM開關(guān)優(yōu)化模式在單相車載逆變電源中的應(yīng)用

李新杰 張勝 楊益金

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰電子科技有限公司，上海 201210)

SVPWM開關(guān)優(yōu)化模式在單相車載逆變電源中的應(yīng)用

李新杰1張勝2楊益金2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰電子科技有限公司，上海 201210)

目前，空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)以其母線電壓利用率高、開關(guān)器件損耗小等眾多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于UPS/EPS、變頻器等各類三相PWM逆變電源中。但是，由于單相電源的特點(diǎn)，使得該技術(shù)并未廣泛的應(yīng)用于單相逆變電源。針對單相全橋PWM逆變器的控制特點(diǎn)，在研究單相逆變電源電壓調(diào)制信號(hào)矢量的基礎(chǔ)上，將SVPWM技術(shù)應(yīng)用于單相PWM逆變電源，并闡述了單相SVPWM算法的DSP實(shí)現(xiàn)方法，通過對單相SVPWM零電壓矢量的分析優(yōu)化，使SVPWM開關(guān)優(yōu)化算法成功的應(yīng)用于800W車載逆變電源，提高了母線電壓利用率，降低了損耗。在實(shí)驗(yàn)室制作了樣機(jī)，通過實(shí)際的測試結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

單相SVPWM 開關(guān)優(yōu)化模式 車載逆變器

0 引言

SVPWM(Space Vector PWM)技術(shù)源于三相電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，目的是使電動(dòng)機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場。隨著數(shù)字化控制手段的發(fā)展，使得該技術(shù)在UPS/EPS、變頻器等各類三相PWM逆變電源中得到廣泛應(yīng)用。與其他傳統(tǒng)PWM技術(shù)相比，SVPWM技術(shù)有著母線電壓利用率高、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、算法靈活便于實(shí)現(xiàn)等眾多優(yōu)點(diǎn)［1］。目前，對SVPWM技術(shù)的研究大多是針對三相逆變電源系統(tǒng)。由于單相逆變電源的特點(diǎn)，該技術(shù)在單相逆變電源上并未得到廣泛應(yīng)用。如果將SVPWM技術(shù)應(yīng)用于單相逆變電源，還可以將當(dāng)前三相SVPWM技術(shù)研究所得各種成果，如開關(guān)優(yōu)化SVPWM技術(shù)等，直接應(yīng)用于單相逆變電源。本文在分析三相SVPWM技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，通過類比對單相電源與單相PWM逆變系統(tǒng)的空間電壓矢量進(jìn)行分析，將SVPWM技術(shù)推廣應(yīng)用于單相正弦波逆變電源。

1 單相空間矢量分析

單相逆變電源常采用如圖1所示的全橋。

圖1 單相逆變?nèi)珮螂娐?/p>

逆變電路結(jié)構(gòu)。正常工作時(shí)同一橋臂的上下開關(guān)管在任意時(shí)刻不能同時(shí)導(dǎo)通，不考慮死區(qū)時(shí)間的插入則同一橋臂的上下管工作在互補(bǔ)狀態(tài)，因此可以用兩個(gè)上橋臂的功率器件的開關(guān)狀態(tài)來描述逆變器的開關(guān)狀態(tài)［2，3］。開關(guān)狀態(tài)及相對應(yīng)的矢量如表1所示。

表1 單相逆變器的開關(guān)狀態(tài)及對應(yīng)的矢量

其線電壓矢量可用矩陣表示

式中:a，b為開關(guān)函數(shù)，“0”表示該管關(guān)斷;“1”表示該管導(dǎo)通。

如圖2所示，4個(gè)離散的電壓矢量是由電壓矢量［uab，uba］T形成。取圖2中α、β軸上單位正向量為新基(c1，c2)

圖2 逆變器輸出電壓矢量

通過新基對式(1)做坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，可得式(3)變換后的電壓矢量如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)變換后的電壓矢量

2 單相SVPWM的實(shí)現(xiàn)

單相SVPWM的基本原理是用4個(gè)離散的電壓矢量對期望的交流側(cè)輸出電壓進(jìn)行擬合［4］。

當(dāng)交流輸出側(cè)電壓大于等于零時(shí)，選取矢量V2、V0、V3對Vab進(jìn)行擬合，否則選取V1、V0、V3。設(shè)Vab為期望的交流側(cè)輸出電壓矢量，Ts為PWM載波周期，T1為當(dāng)前有效電壓矢量V1或V2作用時(shí)間，T0為零矢量V0、V3作用時(shí)間。當(dāng)Vab大于等于零時(shí)，要在Ts的時(shí)間內(nèi)得到輸出幅值大小為mvdc(0≤m≤1)的電壓，則有

當(dāng)交流輸出側(cè)電壓小于零時(shí)，同理可得

在三相SVPWM調(diào)制中，選擇零電壓矢量的原則是使開關(guān)狀態(tài)變化盡可能少，以降低開關(guān)損耗［5，6］。將三相SVPWM零電壓矢量選擇的方法應(yīng)用于單相SVPWM零電壓矢量，可以得到多種調(diào)制模式。不同的調(diào)制模式有著不同的開關(guān)次數(shù)和諧波含量［7］，本文選取兩種調(diào)制模式進(jìn)行分析。

調(diào)制模式Ⅰ［圖4(a)］將電壓零矢量的作用時(shí)間分成三段，其中矢量Vab的起、終點(diǎn)上均勻地分布零矢量Vab，而在矢量V3中點(diǎn)處分布零矢量V3，再通過矢量V2去合成期望的交流側(cè)輸出Vab。在此模式下，在一個(gè)PWM周期內(nèi)每個(gè)開關(guān)管要?jiǎng)幼鲀纱?。調(diào)制模式Ⅱ［圖5(a)］將零矢量V0平均的分配于矢量Vab的起、終點(diǎn)上，然后由矢量V2按照公式(5)去合成期望的交流側(cè)輸出Vab。在這一種模式下，任意一個(gè)PWM周期只需一個(gè)橋臂的一個(gè)開關(guān)管動(dòng)作兩次。與調(diào)制模式Ⅰ比，調(diào)制模式Ⅱ在一個(gè)PWM周期內(nèi)減少了一半的開關(guān)次數(shù)，也就減少了一半的開關(guān)損耗，這是傳統(tǒng)單相PWM技術(shù)難以達(dá)到的效果。

圖4 調(diào)制模式Ⅰ及其矢量合成

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

選用 Freescale的56F8006作為主控芯片，IR公司的2113，IGBT選用 IXYS公司的IXGH48N60C3D1，搭 建了800W車載正弦波逆變器。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)如下:直流母線電壓350－420 V，由 12 V蓄電池經(jīng)過DCDC提供，PWM開關(guān)頻率為10 KHz，采用開關(guān)優(yōu)化調(diào)制模式。

圖5 調(diào)制模式Ⅱ及其矢量合成

圖6所示為IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)b橋臂的上管按照正弦脈寬調(diào)制變化時(shí)(下管與其互補(bǔ))。在半個(gè)輸出正弦載波周期內(nèi)a橋臂下管保持開通，b橋臂上管進(jìn)行調(diào)制;在這半個(gè)周期內(nèi)a橋臂上、下管均不發(fā)生動(dòng)作，這樣就大大降低了開關(guān)損耗。當(dāng)a橋臂的上管按正弦脈寬調(diào)制(下管與之互補(bǔ))，與此同時(shí)b橋臂上管保持關(guān)斷狀態(tài)，下管保持開通狀態(tài)。每個(gè)開關(guān)管都間隔半個(gè)正弦波周期工作在低頻開關(guān)狀態(tài)，從而降低了開關(guān)損耗。圖7為逆變器滿載輸出電壓波形，圖中可見逆變器輸出電壓峰值為310 V左右，頻率為50 Hz，輸出電壓波形比較平滑。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和可行性。

圖6 IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖7 逆變器輸出

4 結(jié)束語

本文將SVPWM控制技術(shù)運(yùn)用于單相PWM逆變器中，研制了高性能的車載單相逆變器。與傳統(tǒng)的PWM技術(shù)相比，采用開關(guān)優(yōu)化技術(shù)的單相SVPWM將電壓利用率提高了15.47%，降低了50%的開關(guān)損耗，減小了逆變電源散熱片的尺寸。單相SVPWM技術(shù)在實(shí)際工程中有著很高的實(shí)用價(jià)值。

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SVPWM Optimal Switching Applied to Automotive Inverter Power Supply

Li Xinjie1Zhang Sheng2Yang Yijin2

(1.HefeiUniversityofTechnology，HeifeiAnhui230009，China;2.ShanghaiReflyElectronics＆TechnologyCO，LTD，Shanghai201210，China)

At present，SVPWM is widely used in various types of three-phase PWM inverter power supply such as UPS/EPS、frequency converter，for the advantage of high bus voltage utilization ratio、low switch wastage and so on.Because of the feature of the singlephase power supply，the technology is rarely used in single-phase inverter power supply.This article focuses on dsp implementation of single-phase SVPWM.Based on the research of space voltage vector，SVPWM has been applied in the Single-phase inverter，The method is used.By way of the disposal of zero voltage vector，SVPWM Optimal Switching method is successfully applied to 800W Automotive Inverter Power supply.The technology increased bus voltage utilization ratio and reduced switch wastage.The prototype has beenmanufactured in the lab，at the same time，the experimental results validated the effectiveness of this Single-phase SVPWM method.

Single-phase SVPWM Optimal Switching Auto motive Inverter Power Supply

TM464

A

1000－3886(2011)04－0070－02

2010－10－11

李新杰(1985－)，男，合肥工業(yè)大學(xué)電工理論與新技術(shù)專業(yè)在讀研究生。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。