占空比及相位差对开关功放电流纹波影响分析

李配飞，张磊，翟小飞

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

0 引言

为了实现对发电机端口电压的精确控制，需对发电机励磁电流进行精确控制，减小励磁电流的纹波可以有效提高电流控制精度[1]。

采用桥式结构的三电平功放是近年研究较多的一种降低电流纹波的控制方法[2-4]，在以 H半桥作为励磁功放电路的控制系统中，为了满足发电机对于励磁电流精确控制的需要，设计了三电平PWM开关功率放大器。实践证明三电平PWM技术可以有效地减小励磁电流纹波[5-6]。

不少文献提出采用两路完全相同的PWM控制脉冲驱动开关功放，包括两电平方式和三电平方式，但鲜有文献对两路不同PWM信号移相一定角度实现三电平的理论进行分析和归纳。本文针对H半桥励磁功放电路，对两路不同占空比的PWM 信号移相一定角度时其纹波的变化规律进行研究，给出两路不同占空比PWM获得最小纹波的计算公式和实现最小纹波时两路PWM移相角度α。

设PWM1占空比为D1，PWM2占空比为D2，D2滞后D1角度为α（0-1对应PWM周期0～TP），鉴于H半桥电路中两路PWM具有可交换性，即两路PWM信号互换占空比不影响电流纹波，本文设定D1≥D2，考虑到PWM信号占空比较大时抗干扰能力强，为此设定D1≥D2≥0.5。在两个占空比D1，D2变化的情况下，本文给出两路PWM实现三电平的一般性公式，并求得实现电流最小纹波时两路PWM相位差和占空比。

1 H半桥开关功放工作原理

H半桥型励磁功放电路结构原理如下图1所示[7]。其中VT1、VT2为IGBT，D1、D2为续流二极管。Ud为励磁功放直流电源，Rf为绕组电阻，Lf为绕组等效电感，阻感性负载所加为电压UAB。

PWM2相对于PWM1移相任意角度，有如图2所示的a,b,c,d四种临界情况[8-9]：

图2中 α1= D1-D2，α2=1-D2，α3=D1，α4= 1。两路脉冲同时导通则UAB=Ud，同时关闭则UAB=-Ud。移相任意角度，绕组上平均电压为：

由(1)式可得D1,D2值决定平均电压值从而决定稳态时平均电流大小。

2 移相不同角度对电流纹波的影响

由于移相角度会影响输出电流波形形状，因此下面分四种情况加以讨论：

负载电流 i (t)[10-11]表达式为：

其中， Id=Ud/Rf，Te=Lf/Rf为绕组时间常数，I0为负载初始电流。当t/Te→ 0 时，公式(2)可以线性化为：

忽略VT1、VT2和D1、D2的导通压降，由于开关频率fp较高，因此开关周期TP<

求解线性方程可以得到输出平均电流Im和电流波动幅值⊿Im：

由(7)式可得，当 α ＜（D1-D2）时， ΔIm为恒定值 D2( 2 -D1-D2)/Te，与α无关 。

2) D1-D2≤ α ＜1-D2

与(1)情形类似，α介于图2中a和b情形：

在此范围内，纹波值随着α的增大而减小，此时在 α =1-D2时取得最小值：

同理，当α介于b和c情形，输出电流线性方程X=AX+B中B= [ 0,Ia,0,Ia]T，则得：

d1d3

由于D2是两个占空比中的较小值，由(11)式可推得当D1+D2值一定时，D1=D2时，移相角为α=（1+D1+D2），纹波具有最小值:

在此范围内α介于图2中c和d情形，输出电流线性方程X=AX+B中B= [ 0,-I a,0,Ia]T，

d1d3

则得：

由(13)式可知，在D1＜α＜1范围内，纹波随着移相角度的增加而增大，当α=D1时纹波有最小值 ( D2+D1- 1 )(2 -D1-D2）IdTP/Te。

对以上四种情形，可得两路PWM任意占空比组合的纹波最小值表达式：

显然，电流纹波的最小值由D1,D2决定，因为励磁电流大小由D1+D2决定，根据所需励磁电流对应的两路占空比之和D1+D2，选取不同占空比组合，由(14)、(15)式可得到最小纹波以及实现电流纹波最小的α值。两路驱动信号占空比在D1≥D2≥0.5范围内纹波最小值在四种情形中，情形(3)最小。由于二极管和IGBT导通压降相对于Ud可忽略不计，为此为了简化分析，忽略了二极管和IGBT的导通压降。

3 仿真及实验

在 Matlab中建立励磁电流功率放大器仿真模型，并采用移相变占空比进行控制,仿真参数为：励磁电压Ud=32 V，绕组电阻Rf=0.65Ω，二极管导通压降为1 V，IGBT导通压降为0.8 V，绕组电感Lf=1.6 mH，开关频率f=4 kHz。取D1+D2=1.2，按上文对于D1和D2取值要求选取多种组合进行仿真，取三种占空比组合仿真结果如表1所示。在D1≥D2≥0.5范围内，三种占空比的组合均有:

D2> D2+D1-1> [ 1 - ( D1+D2)/2]，当 D1= D2，纹波有最小值 (1 - D2) (D1+D2- 1）IdTP/Te

对于每组占空比取得最小纹波的仿真图形如图4所示。实验采用TI公司的TMS32028335为控制芯片产生两路 PWM 信号，三菱公司的PM75RL060中的U、W两相作为H半桥主电路。实验参数与仿真参数相同。实验电气连接图如图5所示。

4 结论

本文结合H半桥励磁电流开关功放提出了两路不同占空比的PWM移相实现三电平的方法。在简要介绍H半桥开关功放工作原理的基础上，针对两路不同占空比的PWM移相不同角度对于电流纹波的影响进行了详细的分析。为了提高抗干扰能力，设定两路PWM占空比均大于0.5，最

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根据实际需要的电流值，由本文所给出的公式计算求得两路PWM信号实现电流纹波最小值时的占空比和相位差，实现了对励磁电流更为精确地控制，进而使发电机输出端的电压更加稳定，该方法简单有效，具有一定工程应用价值。

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