基于DSP控制的高频逆变器换流问题的研究

敬淇文

JING Qi-wen

（西南科技大学，绵阳 621010）

0 引言

近年来，高频链逆变技术已成为电力电子领域的研究热点[1]。一方面新能源的开发和利用，如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等场合，DC/AC变换是不可或缺的[2]。同时传统逆变技术存在着体积大、笨重等缺点，亟待新技术对上述缺点加以克服[3]。高频链逆变技术实质以高频变压器取代工频变压器，极大的减小逆变器的体积。另外，数字处理器的飞速发展提高了产品的集成度，通过修改软件,可以很方便地调节系统的各种特性,这就增强了系统的柔性和智能性[4]。DSP中配置有CAN总线接口，这就使高频逆变器的网络化成为可能。高频化，数字化，网络化是逆变器发展的趋势[5]。

极为典型的高频链逆变器的电路拓扑就是全桥全波电路。全桥全波电路拓扑具有中间变换环节少，结构简单，整体变换效率和功率密度高的特点，所以应用较为广泛。

本文针对DSP控制的全桥全波电路拓扑中的关键问题进行详细分析，并从软件角度分别解决了周波变换器换流损耗大和高频变压器直流偏磁问题。有效的节约成本，减小开关损耗，进一步提高数字化高频逆变器的整机性能。

1 全桥全波电路工作原理

全桥全波电路拓扑结构如图1所示。

图1 全桥全波电路拓扑

逆变器由DC/HFAC/LFAC 级联而成。S1-S8均为功率开关管。进行数字化控制时，由DSP发出驱动脉冲信号，通过驱动电路对功率开关管的导通和关断进行控制，在DSP内部完成调制波的调制，通过周波变换器实现解调。

2 高频换流问题及其解决方案

基于DSP控制高频逆变器存在着高频工作状态下周波变换器的换流问题。

2.1 开关损耗的产生机理

要求输出为市电时，高频变压器实现蓄电池直流电压和输出电压的匹配主要通过升压的方式实现，周波变换器的功率开关管承受比较高的电压，在高频状态下不断切换导通与关断的状态，对开关管的损耗较大。

2.2 全桥全波电路控制策略优化

实现全桥全波电路逆变功能的控制方法有很多，目前应用比较广泛的是正弦脉冲脉位控制策略（SPWPM）。采用该方法，前级高频逆变器采用移相SPWM 控制，直流侧逆变桥的开关管可以实现部分条件下的软开关，但周波变换器开关管始终工作在同步的高频开关状态，因此使开关管损耗较大，降低效率，引起器件温度升高，造成系统不稳定。为此，改变周波变换器的高频控制，而采用50Hz的低频控制。将极大地减小周波变换器的开关损耗，提高逆变器的效率和可靠性。实现该控制策略的时序逻辑如图2所示。

图2 驱动逻辑控制图

从图看出，高频变压器原边的全桥逆变器采用载波为三角波的调制方式，DSP内部运算后输出PWM信号，驱动S1-S4四个功率开关管，在变压器原边出现高频交替的占空比不一的脉冲。S5和S7，S6和S8分别公用一组互补的驱动信号。

2.3 电路工作状态

上述控制方式下全桥全波电路有四个典型工作状态。S1、S4共同导通， S2、S3与之高频切换， S5、S6驱动信号与S7、S8互补，工作在工频状态。

以上四个状态描述了周波变换器的工作过程。周波变换后的波形，经过LC滤波器滤出低次谐波，在负载端输出正弦波。

采用改进的DSP控制策略，对高频逆变器有如下优化：

1）控制方法简单，同时由于周波变换器工作在工频状态，开关损耗大大减少，使逆变器效率增高，降低器件温度，可靠性增加。

2）考虑全桥电路驱动，需要注意S1和S3，S2和S4的直通短路问题，这就需要设置死区时间，而这种控制方式自动避免了直通短路的问题。

3 物理实现和结果验证

实验的样机参数：输入电压DC192V；交流输出电压单相交流220 V,50Hz；输出容量为3 KVA；在逆变器供电时，稳态电压变化范围±2%；在逆变器供电时，效率大于85%。为满足逆变器的数字化、网络化，在我们制作的样机中，采用TMS320LF/2407作为处理器，该处理器主频40MHz，2个事件管理器，6对PWM输出，10个10位A/D转换接口，1个CAN总线通信协议接口。该处理器能够满足处理速度、A/D精度、通信接口的等功能扩展的需求。功率开关管采用英飞凌公司的K40T120，该型号IGBT具有体积小，耐压高的特点，便于系统集成。高频变压器频率设定为20KHz，额定功率4KV·A。载波频率设定为频率20KHz的三角波。

纯阻性负载条件下测得下列各个数据如表1所示。

表1 实验数据

输出端波形图如图3所示。

4 结论

图3 负载两端电压波形

本文利用高性能DSP芯片TMS320F2812研制了一套数字化高频逆变电源系统，主电路采用全桥全波双向电流源高频链逆变器拓扑结构，控制系统采用瞬时电压PI闭环控制策略。通过改进全桥全波电路控制时序，使得数字化高频逆变器具有控制方案简单、效率高、可靠性高等特点，提高了整机性能。在中等功率场合这种数字化高频链逆变器有良好的应用前景。

[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).