SPWM逆變器穩(wěn)定性研究及其硬件實(shí)現(xiàn)

游昊　艾釗

摘要：在SPWM逆變器中，影響逆變器波形輸出的幾個(gè)主要因素有溫漂、死區(qū)效應(yīng)以及穩(wěn)壓反饋。這些因素的控制的情況影響逆變器輸出基波電壓、諧波成分，輸出波形的毛刺情況以及反饋電路的穩(wěn)壓效果，從而直接影響逆變器的穩(wěn)定性。文章對(duì)溫漂效應(yīng)、死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)硬件中不同電路模塊的改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其電路模塊進(jìn)行仿真，同時(shí)通過(guò)搭建SPWM硬件驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驗(yàn)證，從而論證此研究基礎(chǔ)上的SPWM逆變器的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性；溫漂；死區(qū)時(shí)間；仿真

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）27-6515-02

The Realization of SPWM Inverter and its Stability Study of Hardware

YOU Hao， AI Zhao

（Electronics and Electrical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430200，China）

Abstract： In SPWM inverters， several major factors that influencing the inverter output waveform with temperature drift， the dead time effect and stabilizing voltage feedback. Influence of inverter output fundamental voltage， harmonic composition control of these factors， the burr of output waveform and feedback circuit of the voltage stabilizing effect， which directly affect the stability of the inverter. In this paper， the dead time effect of temperature drift effect， through the improvement of the different circuit module in hardware， and on the basis of the circuit module of simulation， at the same time set up through the SPWM hardware driver module is verified， which proves the SPWM inverter based on the study of the advantages of the.

Key words： stability； temperature drift； dead time； simulation

隨著對(duì)逆變器性能要求的不斷提高，如何提高逆變器的可靠性、功率密度和效率已經(jīng)成為研究的關(guān)鍵問(wèn)題，傳統(tǒng)的逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但其存在著輸出波形易受溫度影響，失真明顯以及調(diào)試方式復(fù)雜等問(wèn)題。這些問(wèn)題降低了逆變器在不同環(huán)境下輸出波形的穩(wěn)定，其產(chǎn)生的毛刺等對(duì)元器件造成巨大負(fù)擔(dān)，同時(shí)也對(duì)于安全是個(gè)巨大的隱患。

針對(duì)傳統(tǒng)逆變器中存在的缺點(diǎn)，為提高逆變器的穩(wěn)定性以及滿足高要求高性能的電源信號(hào)需求，該文通過(guò)對(duì)逆變器核心部分SPWM信號(hào)產(chǎn)生電路部分在溫漂問(wèn)題、波形精度以及穩(wěn)壓電路的研究，在提出改進(jìn)方案的同時(shí)，通過(guò)仿真以及實(shí)物搭建的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了逆變器中SPWM波的驅(qū)動(dòng)硬件。

1 SPWM逆變器穩(wěn)定性研究

1.1 SPWM逆變器中溫漂影響的研究

SPWM逆變電路中文氏電橋電路作為產(chǎn)生基波的電路，其產(chǎn)生的信號(hào)是整體電路中一個(gè)基準(zhǔn)，其產(chǎn)生出來(lái)的正弦波的指令直接決定SPWM波形的效果，而基波產(chǎn)生電路的抗干擾能力的強(qiáng)弱直接決定逆變器輸出信號(hào)的質(zhì)量。在日常干擾中，溫漂問(wèn)題是一個(gè)常見(jiàn)但又是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

典型文氏電橋電路幅值穩(wěn)定性差，易受干擾，故而需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)典型文氏電路改進(jìn)如下圖圖1，R5，R7和二個(gè)二極管看成是一個(gè)電阻RL，那么，整個(gè)電路的增益就和RL和R3、R10、R11的比值有關(guān)，如果溫度上升，RL就減小，電路增益就下跌，要使整個(gè)電路增益不變，就必須R3、R10、R11的比值也同時(shí)減小。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻R10的阻值同時(shí)變化，即達(dá)到穩(wěn)定整個(gè)電路增益之目的。

1.2 SPWM逆變器中死區(qū)時(shí)間的研究

死區(qū)時(shí)間SPWM逆變器中PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度問(wèn)題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的一個(gè)保護(hù)時(shí)段。通常也指pwm響應(yīng)時(shí)間。在這短暫的死區(qū)時(shí)期間，輸出波形不受邏輯信號(hào)的控制，由于開(kāi)關(guān)頻率較高，死時(shí)的疊加值比較可觀，這將會(huì)導(dǎo)致PWM逆變器的死區(qū)效應(yīng)，即輸出基波幅值減小，諧波電壓幅值增大，從而使系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能下降，增加了低次諧波抑制的難度，降低了高速開(kāi)關(guān)器件。

在逆變器中，通過(guò)采用不同類型的開(kāi)關(guān)器件，來(lái)得到開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間的典型值，從而初步分析并調(diào)整死區(qū)時(shí)間。此處實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)采用不同開(kāi)關(guān)器件來(lái)對(duì)比，通過(guò)在Multism12中的仿真，得出在溫漂問(wèn)題改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，考慮到成本的緣故，最終選擇4081集成芯片，改進(jìn)前后仿真的死區(qū)時(shí)間對(duì)比如下圖圖3：

2 SPWM逆變器穩(wěn)定性研究總結(jié)

通過(guò)對(duì)SPWM逆變器中溫漂問(wèn)題、死區(qū)時(shí)間問(wèn)題的研究，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)研究對(duì)比得出改進(jìn)方案，進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果通過(guò)Mutlism 12的仿真，得出顯示結(jié)果對(duì)比前后明顯的改進(jìn)。故而最終再次基礎(chǔ)上，綜合成本、可靠性及其選用IGBT進(jìn)行功率方面的考慮，核心驅(qū)動(dòng)芯片選用由美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出的SG3525。

SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。其主要特點(diǎn)如下：

1） 工作電壓范圍寬：8—35V；2） 5.1（1 1.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源；3） 振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz?—400KHz；4） 具有振蕩器外部同步功能；5） 死區(qū)時(shí)間可調(diào)；6） 內(nèi)置軟啟動(dòng)電路；7） 具有輸入欠電壓鎖定功能；8） 具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖；9） 逐個(gè)脈沖關(guān)斷；10） 雙路輸出（灌電流/拉電流）： mA（峰值）。

在改進(jìn)基礎(chǔ)上最終通過(guò)對(duì)搭建仿真系統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上，選用核心部分的電路如圖4：

通過(guò)對(duì)硬件電路的測(cè)試，在整個(gè)逆變器運(yùn)行過(guò)程中，閉環(huán)反饋電路做了對(duì)溫漂、線性補(bǔ)償?shù)男拚?，增加了整個(gè)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性；而在此基礎(chǔ)上選用的大功率IGBT工作頻率高，驅(qū)動(dòng)電路功率小，工作損耗小等特點(diǎn)使得逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，可靠性提高，綜合驗(yàn)證下充分說(shuō)明此研究基礎(chǔ)上的改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2002.

[3] 孫肖子.電子設(shè)計(jì)指南[M].4版.北京：高等教育出版社，2010.

[4] 劉鳳君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 孔孝峰.高頻開(kāi)關(guān)型逆變器及其并聯(lián)并網(wǎng)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6] 陳穎，張俊洪.SPWM逆變電源的諧波分析及抑制策略[J].船電技術(shù)，2005（7）.

[7] 朱曉琴.一種寬變頻范圍的數(shù)字式變頻電源[J].電氣應(yīng)用，2005（24）.

[8] Ed Palko.Living with Power System Harmonics[J].Plant Engineering，1992：48-53.

[9] Patcharaprakiti N. Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid- connected photovoltaic system[C].IEEE，2002，372-377.

[10] Hudson R M. Implementation and testing of antislanding algorithms for IEEE 929- 2000 compliance of single phase photovoltaic inverters [C]. Photovoltaic Specialists Conference， 2002， 1414—1419.

[11] Yuvarajan S， Yu Dachuan， Xu Shanguang. A Novel Power Converter for Photovoltaic Applications [J] . Journal of Power Sources，2004，135（1-2）327-331.

[12] Woyte A， Belmansk R， NjsJ. Testing the Islanding Protection Function of Photovoltaic Inverters. IEEE Trans. On Energy Conversion，2003，18（1）：157-162.