SVPWM开关优化模式在单相车载逆变电源中的应用

李新杰 张胜 杨益金

(1.合肥工业大学电气学院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰电子科技有限公司，上海 201210)

SVPWM开关优化模式在单相车载逆变电源中的应用

李新杰1张胜2杨益金2

(1.合肥工业大学电气学院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰电子科技有限公司，上海 201210)

目前，空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术以其母线电压利用率高、开关器件损耗小等众多优点被广泛应用于UPS/EPS、变频器等各类三相PWM逆变电源中。但是，由于单相电源的特点，使得该技术并未广泛的应用于单相逆变电源。针对单相全桥PWM逆变器的控制特点，在研究单相逆变电源电压调制信号矢量的基础上，将SVPWM技术应用于单相PWM逆变电源，并阐述了单相SVPWM算法的DSP实现方法，通过对单相SVPWM零电压矢量的分析优化，使SVPWM开关优化算法成功的应用于800W车载逆变电源，提高了母线电压利用率，降低了损耗。在实验室制作了样机，通过实际的测试结果验证了算法的有效性。

单相SVPWM 开关优化模式 车载逆变器

0 引言

SVPWM(Space Vector PWM)技术源于三相电机调速控制系统，目的是使电动机获得圆形旋转磁场。随着数字化控制手段的发展，使得该技术在UPS/EPS、变频器等各类三相PWM逆变电源中得到广泛应用。与其他传统PWM技术相比，SVPWM技术有着母线电压利用率高、易于数字化实现、算法灵活便于实现等众多优点［1］。目前，对SVPWM技术的研究大多是针对三相逆变电源系统。由于单相逆变电源的特点，该技术在单相逆变电源上并未得到广泛应用。如果将SVPWM技术应用于单相逆变电源，还可以将当前三相SVPWM技术研究所得各种成果，如开关优化SVPWM技术等，直接应用于单相逆变电源。本文在分析三相SVPWM技术基本原理的基础上，通过类比对单相电源与单相PWM逆变系统的空间电压矢量进行分析，将SVPWM技术推广应用于单相正弦波逆变电源。

1 单相空间矢量分析

单相逆变电源常采用如图1所示的全桥。

图1 单相逆变全桥电路

逆变电路结构。正常工作时同一桥臂的上下开关管在任意时刻不能同时导通，不考虑死区时间的插入则同一桥臂的上下管工作在互补状态，因此可以用两个上桥臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的开关状态［2，3］。开关状态及相对应的矢量如表1所示。

表1 单相逆变器的开关状态及对应的矢量

其线电压矢量可用矩阵表示

式中:a，b为开关函数，“0”表示该管关断;“1”表示该管导通。

如图2所示，4个离散的电压矢量是由电压矢量［uab，uba］T形成。取图2中α、β轴上单位正向量为新基(c1，c2)

图2 逆变器输出电压矢量

通过新基对式(1)做坐标旋转变换，可得式(3)变换后的电压矢量如图3所示。

图3 坐标变换后的电压矢量

2 单相SVPWM的实现

单相SVPWM的基本原理是用4个离散的电压矢量对期望的交流侧输出电压进行拟合［4］。

当交流输出侧电压大于等于零时，选取矢量V2、V0、V3对Vab进行拟合，否则选取V1、V0、V3。设Vab为期望的交流侧输出电压矢量，Ts为PWM载波周期，T1为当前有效电压矢量V1或V2作用时间，T0为零矢量V0、V3作用时间。当Vab大于等于零时，要在Ts的时间内得到输出幅值大小为mvdc(0≤m≤1)的电压，则有

当交流输出侧电压小于零时，同理可得

在三相SVPWM调制中，选择零电压矢量的原则是使开关状态变化尽可能少，以降低开关损耗［5，6］。将三相SVPWM零电压矢量选择的方法应用于单相SVPWM零电压矢量，可以得到多种调制模式。不同的调制模式有着不同的开关次数和谐波含量［7］，本文选取两种调制模式进行分析。

调制模式Ⅰ［图4(a)］将电压零矢量的作用时间分成三段，其中矢量Vab的起、终点上均匀地分布零矢量Vab，而在矢量V3中点处分布零矢量V3，再通过矢量V2去合成期望的交流侧输出Vab。在此模式下，在一个PWM周期内每个开关管要动作两次。调制模式Ⅱ［图5(a)］将零矢量V0平均的分配于矢量Vab的起、终点上，然后由矢量V2按照公式(5)去合成期望的交流侧输出Vab。在这一种模式下，任意一个PWM周期只需一个桥臂的一个开关管动作两次。与调制模式Ⅰ比，调制模式Ⅱ在一个PWM周期内减少了一半的开关次数，也就减少了一半的开关损耗，这是传统单相PWM技术难以达到的效果。

图4 调制模式Ⅰ及其矢量合成

3 实验及结果分析

选用 Freescale的56F8006作为主控芯片，IR公司的2113，IGBT选用 IXYS公司的IXGH48N60C3D1，搭 建了800W车载正弦波逆变器。实验主要参数如下:直流母线电压350－420 V，由 12 V蓄电池经过DCDC提供，PWM开关频率为10 KHz，采用开关优化调制模式。

图5 调制模式Ⅱ及其矢量合成

图6所示为IGBT驱动信号，当b桥臂的上管按照正弦脉宽调制变化时(下管与其互补)。在半个输出正弦载波周期内a桥臂下管保持开通，b桥臂上管进行调制;在这半个周期内a桥臂上、下管均不发生动作，这样就大大降低了开关损耗。当a桥臂的上管按正弦脉宽调制(下管与之互补)，与此同时b桥臂上管保持关断状态，下管保持开通状态。每个开关管都间隔半个正弦波周期工作在低频开关状态，从而降低了开关损耗。图7为逆变器满载输出电压波形，图中可见逆变器输出电压峰值为310 V左右，频率为50 Hz，输出电压波形比较平滑。通过实验验证了理论分析的正确性和可行性。

图6 IGBT的驱动信号

图7 逆变器输出

4 结束语

本文将SVPWM控制技术运用于单相PWM逆变器中，研制了高性能的车载单相逆变器。与传统的PWM技术相比，采用开关优化技术的单相SVPWM将电压利用率提高了15.47%，降低了50%的开关损耗，减小了逆变电源散热片的尺寸。单相SVPWM技术在实际工程中有着很高的实用价值。

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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，合肥工业大学电工理论与新技术专业在读研究生。研究方向为电力电子与电力传动。