基于桥臂轮换法的逆变电源新技术

王 聪 王榕生

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

1 系统主电路结构

单相全桥逆变电源系统主电路如图1所示。从图1中可以看出，系统主要包括三相桥式不控整流、直流滤波、全桥逆变和输出LC滤波部分。三相交流电通过三相桥式不控整流电路之后得到脉动的直流电压，此脉动的直流电压经滤波电容滤波之后得到平稳的直流电压，该直流电压就是逆变电路的母线电压，直流母线电压经基于单极性正弦脉冲宽度调制实现的桥臂轮换法PWM新技术逆变，输出电压经LC滤波电路滤波，得到的单相交流电供给负载。

图1 系统主电路图

2 单极性桥臂轮换法PWM 新技术实现

桥臂轮换法PWM新技术的控制原理，即在前一周期使逆变电路的其中一个桥臂为工频方波信号控制，另一个桥臂为PWM波信号控制，在下一周期将两个桥臂的控制方式对调，如此周而复始。这就使得全桥逆变器左右桥臂的开关器件在两个周期内具有相同的导通时间及开关状态变化次数，带来了显著降低原有采用PWM控制的桥臂损耗的好处，均分了两桥臂的发热程度，利益是明显的，对于提高ΙGBT开关器件应用可靠性具有显著意义。

三相桥式不控整流后脉动的直流电压经电容滤波后得到平稳的直流电压接到单相全桥逆变电路，并通过LC滤波将输出接到工频使用设备上。为使输出电压的波形为可靠的正弦波，单相全桥逆变器的4个开关器件必须通过合理的开通、关断来控制，本文通过DSP实现的单极性桥臂轮换法PWM新技术来满足该要求。

现阶段生成SPWM波的单极性SPWM控制方法有两种：单边SPWM波控制法是只将给定的正弦半波作为调制波，并将正值的三角载波与其作比较；双边SPWM波控制法是将给定的完整的正弦波作为调制波，与此正弦波的正半周作比较生成SPWM波的为正三角载波，与此正弦波的负半周作比较生成SPWM波的为负三角载波[1]。本文采用双边SPWM波控制法，单极性桥臂轮换法PWM新技术原理波形如图2所示。

图2 单极性桥臂轮换法PWM 新技术原理波形

图2中，1、2、3、4分别是全桥逆变器4个开关器件的开通、关断波形；c为逆变器输出端a点电位波形；Vb为逆变器输出端b点电位波形；Vab为逆变器输出电压波形。

桥臂轮换法PWM新技术的实现也是基于冲量等效原理：大小、波形不相同的系列窄脉冲变量，作用于同一惯性系统时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其具有相同的作用效果[2]。因此，要使图2中逆变器输出电压Vab的PWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量p很多。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度而幅值相同的多脉波电压Vab(t)就越等效于连续的正弦电压。对开关器件的通、断状态进行实时、适时的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化，就能得到近似的正弦波。

由图1可知，a点的电位是通过左桥臂两个ΙGBT控制的，当T1开通T2关断时，a点接直流母线电压的正极，为高电位；相反，当T2开通T1关断时，a点接直流母线电压的负极，为低电位。同理，当T3开通T4关断时，b点为高电位；T4开通T3关断时，b点为低电位[3]。逆变器的输出电压：

式中，Vab为逆变器输出端a点电位；Vb为逆变器输出端b点电位；Vab为逆变器输出电压。

其一，转变经济发展方式，提升发展质量和效益。在谈到人的发展时，马克思反复强调人的全面发展不是自然的产物，而是历史的产物，归根结底是社会生产力的产物。人的发展是以人的生命存在为前提条件的，其吃喝住行等一系列基本需要，只能在生产力的发展过程中才能得到满足，生产力的发展、交往的普遍性是个人全面发展的条件，也是人类实现自身全面发展的一条历史必然道路。转变经济发展方式，在某种程度上就是要解放人和开发人，让全体人民进一步释放劳动潜能，依靠创造性劳动实现人的个性自由和全面发展。

为使得到的逆变器输出电压波形等效于连续的正弦波电压，就必须控制a、b点之间的电位关系，而a、b点的电位是通过实时、适时的控制左右桥臂开关器件的开通、关断而得到的。因此，可以得出这样的结论：通过控制单相全桥逆变器左右两个桥臂4个开关器件实时、适时的通断，能够使得逆变器输出电压的波形按照我们设定的正弦规律变化，使输出电压近似于正弦波。

本文选用对称规则采样法来建立SPWM波信号的数学模型。

对称规则采样法以每个三角载波的对称轴（本方案为底点对称轴）为采样时刻，该采样时间已知，每个周期只采样一次[4]。过三角载波的底点对称轴与正弦波的交点，作平行于t轴的平行线，该平行线与三角载波的两个腰的交点作为SPWM波开通和关断的时刻，如图3所示。其中Uc为三角载波峰值，UM为正弦波峰值，Tc为三角载波周期，M为调制度，Uon1、toff1是SPWM波的开通、关断时间。

图3 单极性对称规则采样法生成SPWM 波

由图3可知，对同一桥臂而言，在正弦波的正半周，由三角形相似关系得

整理得

因此生成的SPWM波的脉宽为

令三角波频率fC与正弦波频率f之比为载波比N，因此有

式中，k为采样序号。故

将式（6）代入式（3）得

所以在正弦波的正半周，开关器件的导通时间为ton。而在正弦波的负半周，导通时间

在一个周期内开关器件导通时间公式不同，因此需要通过软件处理。

3 软件设计

软件设计中断程序流程图如图4所示。

图4 定时器下溢中断子程序流程图

本实验采用TΙ公司生产的型号为TMS320LF2407的DSP芯片，该芯片专门设计了两个用于电动机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块都包含两个16位通用定时器；8个16位脉宽调制PWM输出通道和可以防止上下桥臂直通的可编程死区功能[5]。本软件设计的程序中，载波频率设置为9kHz，DSP晶振为20MHz，内部2倍频，因此时钟频率为40MHz，计数周期为25ns。调制波频率设为50Hz，调制度M为0.75，死区时间设为6.4μs，最小删除脉宽设为4μs。定时器设为连续增减计数模式，下溢中断，因此每个载波周期都将产生一次中断，根据式（7）、（8）分别计算出下一个载波周期的比较值。

图4所示的中断子程序流程图中：TEMP1为中间变量，随采样点数k的变化而变化；LH为判断当前输出波形是PWM波还是工频方波；CMPR1、CMPR2是事件管理器EVA模块的比较寄存器，用于装入比较值[6]。DSP输出桥臂轮换法PWM新技术波形（同一桥臂）如图5所示。

图5 DSP 输出桥臂轮换法PWM 波形

4 实验及结论

本实验是将三相电经整流滤波电路之后接单相全桥逆变器，并将逆变输出电压经LC 滤波后得到正弦电压，逆变器开关器件控制信号是按照单极性桥臂轮换法PWM 新技术原理编程并通过DSP 运行得到。实验结果电压波形如图6所示。该输出电压频率为50Hz，基波幅值为311V。

图6 实验结果电压波形

单极性桥臂轮换法PWM新技术控制单相全桥逆变器输出正弦电压，理论分析及实验结果证明该控制方法可行，输出正弦电压满足工频设备供电要求，且运行安全可靠，为后续实验证明全桥逆变器左右桥臂损耗相近或相同奠定了基础。

[1] 赵青.一种基于单极性SPWM 控制的正弦波逆变器的研究[D].浙江大学,2004.

[2] 陈坚,康勇.电力电子学电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2011.6.

[3] 杨春华.正弦波逆变电源的研究与设计[D].东华大学,2009.

[4] 王晓明.电动机的DSP 控制 TΙ 公司DSP 应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.9.

[5] 刘和平,等.DSP原理及电机控制应用基于TMS320LF240x系列[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[6] 陈桂玉,黄灿水,李东旭,汤宁平.基于DSP 的中频发电机逆变单相工频电源设计[J].电工电气,2010(11):18-20,24.