全橋逆變單極性SPWM控制方式過零點振蕩的研究
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關(guān)鍵詞：全橋逆變；單極性；正弦波脈寬調(diào)制；過零點振蕩
0 引言
當前眾多電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)涣麟娫吹囊笤絹碓礁?，傳統(tǒng)的電網(wǎng)直接供電方式在很多場合已無法滿足要求，因此，需要對電網(wǎng)或者其他能源處理后逆變輸出。高質(zhì)量的逆變電源已經(jīng)成為電源技術(shù)的重要研究對象。全橋架構(gòu)又是逆變器中非常重要的架構(gòu)。全橋逆變控制方式主要分為雙極性控制方式和單極性控制方式。雙極性控制是對角的一對開關(guān)為同步開關(guān)，橋臂上下管之間除死區(qū)時間外為互補開關(guān)，控制相對簡單，但是它的開關(guān)損耗高，存在很大的開關(guān)諧波，電磁干擾大，而單極性控制可以很好地解決這些問題。全橋逆變器單極性控制僅用一對高頻開關(guān)，相對于雙極性控制具有損耗低、電磁干擾小、無開關(guān)頻率級諧波等優(yōu)點，正在取代雙極性逆變控制方式。但由于控制環(huán)路的延時作用，單極性控制方式的逆變器仍然受一個問題的困擾，即在過零點存在一個明顯的振蕩。單極性控制方式又包括單邊方式和雙邊方式，雙邊方式相對于單邊方式在抑止過零點振蕩方面有一定優(yōu)勢[1]，但仍然無法做到過零點的平滑過渡。為了提高逆變器的輸出波形質(zhì)量，本文分析了，單極性雙邊控制方式，分析了其振蕩產(chǎn)生原因，并介紹一種解決過零點振蕩的方案。
l 主電路拓撲
單極性SPWM逆變器如圖1所示，由2組橋臂構(gòu)成，一組橋臂(S3，S4)以高頻開關(guān)工作頻率工作，稱為高頻臂；另一組橋臂(S1，S2)以輸出的正弦波頻率進行切換，稱為低頻臂。
2 單極性雙邊SPWM控制方式
單極性逆變有兩種產(chǎn)生SPWM的方法，分為單極性單邊SPWM控制方式和單極性雙邊SPWM控制方式，文獻l對此有比較詳盡的介紹，這里只介紹過零點特性較好的雙邊控制方式，這種方式對于單邊控制方式仍然有效。在單極性雙邊SPSM控制方式中，給定的載波信號按正弦方式變化，三角調(diào)制波信號，當輸出電壓為正時三角波為正，輸出電壓為負時三角波為負，如圖2所示。高頻臂上管S3的開關(guān)由載波與調(diào)制波相比較決定，載波幅值大于調(diào)制波則開通，載波幅值小于調(diào)制波則關(guān)斷，除去死區(qū)時間，高頻臂上管S3與高頻臂下管S4的開關(guān)完全互補。這樣即可得到SPWM規(guī)律的高頻臂開關(guān)信號，實現(xiàn)逆變器的正弦波輸出。
3 過零點振蕩分析
圖3為雙邊SPWM控制方法在過零點附近的SPWM示意圖。圖中E1理論上為跟基準(電壓波形)同相位的誤差信號，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，實際的誤差信號E2會與基準信號相差一個相位。圖3中SPWM1是理論上的高頻臂上管(S3)的驅(qū)動信號，SPWM2則是實際的高頻臂上管(S3)的驅(qū)動信號。
1)to～t1區(qū)間 由圖3可以看到，在to～t1．區(qū)間，由于給定的低頻臂信號為高電平l，對應(yīng)主電路低頻臂下管(S2)導(dǎo)通，圖3中SPWM對應(yīng)的高頻臂上管(S3)的驅(qū)動信號，當誤差信號(E1或E2)大于三角波，比較器輸出高電平，小于則輸出低電平，以此獲得SPWM1或SPWM2。由圖3可以知道在to～t1區(qū)間，輸出正弦波由正逐漸變?yōu)镺。由于E2滯后于理想的誤差信號E1，，在t1時刻正
半波向負半波轉(zhuǎn)變時E2會大于E1，造成的影響就是過零點附近實際的占空比SPWM2要大于SPWM1。理論上此時的正弦波輸出逐步減小到零，到零后再進行低頻臂的切換，而事實上并不是降到零就會進行低頻臂的切換。
2)t1~t2區(qū)間 實際的輸出誤差信號E2滯后于E1一個相位，在該相位內(nèi)，誤差信號E2為正，始終大于調(diào)制波信號，因此高頻臂上管(S3)始終開通，下管(S4)始終關(guān)斷。在該時段內(nèi)，SPWM偏離了正弦波調(diào)制的規(guī)律，因此輸出也就無法維持正弦波規(guī)律。這個時段與控制環(huán)的參數(shù)有關(guān)，一般在數(shù)百μs左右，表現(xiàn)為正弦波在過零點有一個振蕩。
4 過零點振蕩的觀察結(jié)果
以一個單極性雙邊SPWM控制的110v／25Hz逆變器為例。電流環(huán)的輸出如圖4所示，在過零點處有一個很明顯的振蕩。將該振蕩展開，如圖5所示，CHl為電流環(huán)輸出，CH2為低頻臂信號?？梢娫诘皖l臂切換后，電流環(huán)的輸出會有一個過沖，這個過沖會達到運放的飽和值，持續(xù)時間100~200μs。這個控制信號過沖在逆變輸出中的表現(xiàn)為過零點有一個過沖，從正向到負向的切換表現(xiàn)為向下的過沖，負向到正向的切換表現(xiàn)為一個向上的過沖，大為影響了輸出波形的平滑性。逆變輸出過零點的觀察結(jié)果如圖6。過沖的峰值達到了22V，相對于110V的峰值電壓156V，擾動相對值為14％。由實驗觀察可以比較出，電壓環(huán)在低頻臂切換點的響應(yīng)很微弱，不足以造成大的振蕩。由于電流環(huán)則因為其快速反應(yīng)的特性，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，而電流環(huán)的輸出直接送至PWM發(fā)生器，因此會直接反映在逆變器的輸出上。
5 解決方案
由上面的分析可知，對于單極性SPWM全橋逆變器，由于它的電流環(huán)和電壓環(huán)都存在積分環(huán)節(jié)，因此，誤差信號相對于給定信號不可避免存在一個延遲，這個延遲在非零點附近不會對系統(tǒng)的輸出造成影響。但是，在過零點附近，由于單極性SPWM需要換向，積分環(huán)節(jié)的延遲就會造成一個振蕩。這是由控制系統(tǒng)本身缺陷所致，若要消除該振蕩，就需要改進控制系統(tǒng)，以消除積分環(huán)節(jié)延遲的影響。
圖7所示為電流環(huán)積分電容上的電壓，在低頻臂切換后出現(xiàn)了一個過沖。這是因為在切換點電流環(huán)的快速切換，需要運放在大約100~200μs里傳遞一個較大的能量，而積分電容吸收了這部分能量，造成運放的輸出端不能快速地跟蹤這個轉(zhuǎn)換。因此，如果在切換點使電流環(huán)在約1001μs的時段內(nèi)由積分環(huán)節(jié)變?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，將會有效地避免這個充放電過程，從而避免丁運放輸出點的過沖，也避免了逆變器過零點的振蕩。
圖8提出了一種解決過零點振蕩的調(diào)整電路方案。在該過零點調(diào)整電路中引入了G1、G2信號(低頻臂的上下橋臂的驅(qū)動信號)，它們在低頻臂上下橋臂切換時發(fā)出一個約100μs的脈沖，這個脈沖開通光耦，將電流環(huán)上的積分電容短路，實現(xiàn)了切換階段的比例環(huán)節(jié)。
6 實驗結(jié)果
如圖9所示，在加入過零點調(diào)整電路后，電流環(huán)的輸出中消除了過零點的過沖。如圖10所示，逆變器的輸出在過零點消除了振蕩現(xiàn)象，相對于未加過零點凋整電路，逆變器過零點非常平滑。
7 結(jié)語
單極性雙邊SPWM控制方式的全橋逆變器，因為控制環(huán)路的積分延時效應(yīng)造成過零點的明顯振蕩，可以通過修改過零點階段的電流控制環(huán)特性來消除積分效應(yīng)，使得逆變器輸出過零點波形平滑，提高了逆變器的輸出質(zhì)量。實驗結(jié)果表明該方案切實可行。
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