具有倍頻倍流的新型調(diào)制技術研究

李少龍,徐艷超,李　棟,楊曉潔,常家榮,唐雨松

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上?！?00093)

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具有倍頻倍流的新型調(diào)制技術研究

李少龍,徐艷超,李棟,楊曉潔,常家榮,唐雨松

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

摘要介紹了一種優(yōu)化的SPWM調(diào)制技術,在盡量減少硬件成本的前提下,提出新拓撲結構的同時并給出新的調(diào)制方式,該拓撲結構配合新的調(diào)制技術實現(xiàn)了倍頻、擴容的目的。相對以往研究,該方案無需增加開關管的開關頻率即可實現(xiàn)輸出電壓倍頻,且無需復雜控制和較多的硬件成本提升即可實現(xiàn)輸出電流倍流。為了驗證該調(diào)制技術和拓撲結構的合理性,文中使用Matlab/Simulink對基于該調(diào)制技術的逆變器搭建了仿真進行驗證,證明本文所提出的調(diào)制方法的可行性。在實際應用中也呈現(xiàn)了較好的均流效果,且MOSFET發(fā)熱較小,從而實現(xiàn)了倍頻與擴容的目的。

關鍵詞逆變器;新型調(diào)制技術;倍頻倍流;新型拓撲結構

根據(jù)最新的市場分析,到2015年我國光伏逆變器需求量將達到5 GW,2020年將達到10 GW,面對巨大的市場份額,對光伏逆變器的研究也一直保持著一定熱度[1]。離網(wǎng)逆變器的技術發(fā)展相對成熟,但對大功率離網(wǎng)逆變器的研究仍有較大的提升空間[2]。

國內(nèi)外許多學者做了大量離網(wǎng)逆變器的研究,常規(guī)功率較小的離網(wǎng)逆變器使用MOSFET作為開關管,功率較大則使用IGBT作為開關管。IGBT相對于MOSFET有功率等級大的優(yōu)點,但是必須指出的是IGBT具有電流拖尾、驅動電路復雜和驅動成本高等缺點[3]。光伏離網(wǎng)逆變器的輸出電壓可近似視為恒定不變,所謂的大功率即對輸出電流的需求不斷增大,在電壓較低電流輸出大的場合多數(shù)情況下使用MOSFET并聯(lián)均流來替代IGBT,從而達到大功率輸出和降低成本得目的。但MOSFET的均流就會帶來新的問題,例如,MOSFET的均流效果如何,開關管的開通時間延遲不一致等問題[4],而這一系列的問題的解決也帶來了整體離網(wǎng)逆變器的成本增加。

本文在上述研究的基礎上所提出新的調(diào)制方式,在僅增加一個橋臂的前提下,實現(xiàn)了倍頻與倍流的效果,這樣的調(diào)制方式可減小開關損耗,減少濾波電感的體積,大幅減少硬件成本,且本文所提出的新型的調(diào)制方式從理論分析上具有較好的均流效果。

1優(yōu)化PWM技術

在調(diào)制信號正弦化的PWM技術是應用最為廣泛的PWM調(diào)制技術,簡稱SPWM調(diào)制技術。單極性SPWM相對雙極性SPWM具有諧波小,擁有開關損耗小等優(yōu)點,但在單片機實現(xiàn)上較為困難[5]。隨著SPWM調(diào)制技術不斷發(fā)展,國內(nèi)外學者還提出了倍頻式SPWM技術、有選擇消除諧波SPWM等技術[6]。本文所提出的優(yōu)化SPWM技術是基于單極性SPWM技術上所提出的。

該調(diào)制技術是使用6個開關管實現(xiàn)倍頻和加大功率等級,電路拓撲結構如圖1所示。優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式波形如圖2所示。

圖1　電路拓撲結構

圖2　優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式波形

在帶感性負載后,負載電流連續(xù),電路電量波形如圖3所示,圖中波形從上到下分別為Uo、Io、Iin。由圖可知,一個周期內(nèi)包含4個時區(qū),8個工作狀態(tài),由于輸出電壓的正負兩個周期對稱,所以僅介紹工作在正半周期的電路工作情況:

(1)時區(qū)一,如圖4(a)～圖4(c)所示。該時區(qū)下負載電流io<0,uab>0,VD1連續(xù)導通,VD4、VD4′1和VT2,VD4、VD4′1和VT2′1輪番導通,其中工作在圖5(a)情況下,uab=Ud;如圖4(b)和4(c)所示時,uab=0;

(2)時區(qū)二,如圖4(d)～圖4(f)所示。該時區(qū)下負載電流io>0,uab>0,VT1連續(xù)導通,VD2、VD2′1和VT4,VD2、VD2′1和VT4′1輪番導通,其中工作在圖4(e)情況下,uab=0;如圖4(f)和圖4(g)所示時,uab=Ud。

對輸出電壓uab進行分析(實際中載波頻率遠大于調(diào)制波頻率,所以使用平均值模型進行分析),由于uab的波形正負對稱,所對只針對正半周分析。uab在載波周期Tc內(nèi)可表示為

(1)

式(1)中,D2為VT2在一個載波周期內(nèi)的占空比,D2′1為VT2′1在一個載波周期占空比由式(1)可計算得到uab在Tc內(nèi)的平均值為

(2)

在載波周期遠小于調(diào)制波周期時,可近似有

(3)

式中,M(t)為調(diào)制波與載波比值函數(shù)。

由式(3)和式(2)可得

(4)

式中,m為調(diào)制波峰值與載波峰值比值由于載波周期遠小于調(diào)制波周期,所以可得輸出電壓的基波分量的峰值Uab1m與Ud有以下近似關系

Uab1m=mUd

(5)

輸出電流Io在一個載波周期Tc內(nèi)可由式(1)表示為

(6)

式(6)可得到輸出電流Io在Tc內(nèi)平均值

(7)

同理VT2和VT2′1輸出電流IVT2和IVT2′1分別為

(8)

由式(3)和式(8)可得

(9)

由此可看出,每個MOSFET流過的電流僅為輸出電流的1/2(VT4和VT4′1同理可得)。所以可看作將整個輸出的功率增大了一倍。

圖3　電路電量波形

圖4　電路工作模式

由以上分析可看出,該調(diào)制技術與單極性SPWM調(diào)制相似,但該調(diào)制技術實現(xiàn)輸出電壓倍頻效果[7-8]。由于VT2和VT2′1、VT4和VT4′1是正向交替導通,其反相時為并聯(lián)均流,所以在不改變其參數(shù)時,可實現(xiàn)輸出電流的倍流。電路中的VT1和VT3由于工作在低頻狀態(tài),可使用雙向可控硅作為開關管,而VT2、VT4、VT2′1、VT4′1能使用MOSFET,由于MOSFET具有正溫度系數(shù)[9]且每個并聯(lián)的MOSFET最多只導通周期的1/2,這就使在MOSFET工作在正向和反向導通時可具有較好的均流效果。在實際應用中,電路的主拓撲結構使用文中所述的三橋臂結構,即一路橋臂使用開關頻率較低和成本較低的雙向可控硅,而剩下兩路橋臂的開關管則選取MOSFET,但驅動電路則需要分別正對每一個橋臂進行設計,而其中MOSFET開關管的額定電流選取按照輸出額定電流的0.75倍來選取電流參數(shù),雙向可控硅則是按照輸出額定電流的1.5倍選取。以DSP2812為例,使用該調(diào)制方式時,利用查表法實現(xiàn)該新型調(diào)制技術的SPWM輸出,值得注意的是實際查表法中的載波比是按照輸出電壓與基波頻率比來計算。通過以上分析可得出,在增加兩個MOSFET便可實現(xiàn)輸出電壓倍頻,最大輸出電流倍流的效果,在實際應用中將可為大功率離網(wǎng)逆變器的成本進行大量節(jié)約,其控制也不需復雜的算法策略。在理論上該方法是可繼續(xù)添加橋臂進行倍頻和擴容,但現(xiàn)實中受到GTO容量、單片機的運算速度與精度和MOSFET脈沖漏電流大小的制約。

2仿真研究

為驗證本文所提出調(diào)制方式的正確性,文中采用Matlab/Simulink軟件對1 kW逆變器進行了仿真。本文采用仿真參數(shù):直流電壓400 V,PWM波頻率為20 kHz,LC濾波為1 mH和4.7 μF,前級母線支撐電容330 μF。仿真結果顯示IVT2和IVT2′1分別為Io的1/2。VT2和VT2′1的開關波形和uab波形如圖5所示,圖中從上到下的波形分別為uab、VT2和VT2′1,可看出該調(diào)制技術實現(xiàn)了倍頻。

圖5　VT2和VT2′1的開關波形和uab波形

3實驗驗證

為驗證整個系統(tǒng)的安全和可靠性,本文對所研制的單相逆變器進行了實驗測試。輸出為220 V,50 Hz,額定功率1 kW。采用DSP2812單片機實現(xiàn)控制,并使用查表法實現(xiàn)SPWM輸出,因在該電壓電流等級下的MOSFET的結電容均較小,故可以直接使用驅動芯片即可,無需再外加圖騰柱電路來增大驅動電流。在實際運行中可該調(diào)制方式具有較好的輸出效果,且實際樣機中MOSFET選取均按照額定電流的0.75倍裕量選取。實際輸出波形如圖6所示,下橋臂VT3和VT3′1驅動波形,如圖7所示。最后測得在額定功率下的下橋臂VT3和VT3′1和上橋臂VT2和VT2′1電流有效值的差值均小于0.5 A,呈現(xiàn)較好的均流效果。

圖6　輸出波形

圖7　下橋臂VT3和VT3′1驅動波形

4結束語

通過仿真和實驗研究驗證明本文所提出的調(diào)制方法的可行性。在實際應用中也呈現(xiàn)了較好的均流效果,且MOSFET發(fā)熱較小,從而實現(xiàn)了倍頻與擴容的目的。本文所提出的新調(diào)制技術不僅可運用于光伏離網(wǎng)逆變器,對于現(xiàn)在正在大力發(fā)展的新能源汽車領域也具有廣泛的應用空間。但需要指出的是,該調(diào)制下的MOSFET選取時,需要注意脈沖漏電流的選取,因就單個調(diào)制周期而言,文中的MOSFET電流應力并未減小,實現(xiàn)的是電流有效值的均流,而在市場上的MOSFET大多具有較大的脈沖漏電流,一般為連續(xù)漏電流的3～4倍,則完全可實現(xiàn)倍流擴容。

參考文獻

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New Modulation Technique with Doubled Frequency and Current

LI Shaolong,XU Yanchao,LI Dong,YANG Xiaojie,CHANG Jiarong,TANG Yusong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper describes an optimized SPWM modulation technique with new topology for doubling the frequency and current while minimizing hardware costs.Double output current is achieved without the need for increasing the frequency of the switch and complex hardware in the output voltage multiplier.Matlab/Simulink simulation of an as-modulated inverter is performed to verify the feasibility of the proposed modulation technique and topology.Practical application also demonstrates good equalization effect and low MOSFET temperature and thus frequency is doubled and capacity is enlarged.

Keywordsinverter;new modulation technology;double frequency and current;new topology

中圖分類號TM919

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-183-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.049

作者簡介:李少龍(1972—),男,碩士,講師。研究方向:電力電子非線性及控制。

收稿日期:2015- 07- 28