基于DSP的H桥级联多电平逆变器的研究

基于DSP的H桥级联多电平逆变器的研究

第4 4卷第 l 2期2 0年 1月 01 2

电力电子技术Po rEl cr n c we e to i s

Vo .4,No 1 1 4 .2 De e e 01 c mb r2 0

基于 D P的 H桥级联多电平逆变器的研究 S杨仁增，王海欣，黄海宏，傅鹏(. 1合肥工业大学，安徽合肥 2 0 0;2中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥 30 9 . 20 3 ) 30 1

摘要：导托卡马克核聚变实验装置 ( x e m na A vne u ecnu t gT km k简称 E S快控电源是超 E pr etl da cdS prod c n oa a, i i A T)…

种大容量单相逆变电源。有的快控电源已难以满足 E S的发展要求 .型快控电源的研制难点主要集中现 AT新

在高压和大电流。满足快控电源系统高压和快速响应的要求，出了采用 I B为提 G T作为功率器件的 H桥级联逆

变器方案系统采用基于 D P的载波移相技术， S以降低 I B G T的开关损耗，高等效开关频率，提改善输出电压波形。在此对逆变器输电压谐波进行了分析和系统仿真，后通过 H桥级联逆变器实验装置验证了该控制策最略的有效性

关键词：桥级联逆变器：快控电源：载波移相 H中图分类号： M4 4 T 6文献标识码： A文章编号：0 0 0 X( 0 0) 2 0 7— 3 1 0—1 0 2 1 1— 0 6 0

S u f Ca c d d H— i e M uli v lI e t r s d o P t dy o s a e brdg tl e nv r e s Ba e n DS eYANG n z ng,W ANG txn,HUANG ih n Re - e Ha - i Ha— o g,FU n 2 Pe g

(. 1

U i￣t o eh o g, fi 30 9,C ia n e i Tcn l ) He 0 0 v yf o e2 hn; 2 0 3,C ia 30 1 hn )

2Ist eo s aP yi, hns dm c ne, . tu Ham hs s C i eA ae yo Si cs H n it f c e c f e

A s atE pr n lavn e u ecnu t gt a a ( A T atcn o pw rsp l i al g aai i— bt c:x e met dac

d sprod c n o m k E S )fs ot l o e u p s a e cpcy s r i a i k r y r t nge p a e i v r r p w r s p l . h xsi g s s m a t me t d v lp n a e u r me t o AS T e d f c l e l h s n et o e u py T e e it y t e n e c n’ e e e o me t l r q i e n f E T. h i u t s i i o e o e u p y a e i h o tg a d lr e c re t o me t r q i me t o ih v l g a d fs e p n e, e f n w p w r s p l r hg v l e n ag u r n . e e u r a T e n f hg ot e n a trso s t a h

s h me o a c d d H— r g n e s wi GB s p e e t d T e t c n q e o are v h s—h f d P M a e c e f c s a e b i e i v r t I T i r s n e . h e h i u f c r rwa e p a e s i e W d t h i t b sdo P i p l d t e ra e s th n o s o GB r ie e u l s i h f q e c f c n e tr a d i r v ef r n DS s p i o d ce s wi ig ls f I T,as q a w t— e u n y o o v r n mp o e p r— a e c c r e o ma c f o t u a e T e mah t n l s f h r n c a d smu a in o y tm r a r d o t a d t e v l i n e o u p t w v . h t mai a a y i o a mo i n i lt f s s e s o e a e c r e u, n ai t i h dyo o o e s h me a c nr lsr tg a e c n r e b x e i e t. fpr p s d c e nd o to tae y r o fm d y e p rm ns i Ke ywo ds: a c d d H— rd e n e e; f s o to o rs p y; c r e v p a e—h fe r c s a e b ig s i v r r a tc n rl p we u pl t a r rwa e h s s i d i t

F u d t nP oetS pot

db e r et f a oa N n ieY a eerhPorm( o( 9 8 10 ) C l o n ai rjc: up r yK yPo c o t nl it Fv erR sac rga N .19 )3 3; o— o e j N i hlg n oa o rjc o t fi n esyo ehooy N . S0 0 5 eeInvt nPoet f t e U i r t fIcnlg ( oX 2 10 ) i e v i '

1引言 国家“五”科学工程超导托卡马克核聚变九大实验装置 ( A T中的快速控制电源是一种大容 E S)量 A/CA C D/ C单相逆变电源。它跟踪等离子体漂

电流± A。而随着 E S 5k A T的不断发展，快控电对源也提出了新的要求，初步设想是将其参数提升到最大输出电压± V,大输出电流￣ 0k 3k最 2 A。考

虑到电源快速响应能力的要求 .于 I C鉴 G T虽具有高耐压和大电流的特性，其开关频率过低，高但且耐压 IB G T的通流能力又太低，故拟采用性价比较高的中耐压大电流 I B G T作为功率器件。考虑到 IB G T的开关频率远高于晶闸管，态均压难以解动

移产生的位移信号，通过为真空室内部的 4个快控线圈提供数干安的励磁电流。形成磁场来维持等离子体在非阋截面时的动态平衡与准确位置，以抑制等离子体在大拉长形下的快速漂移【。 1 _目前正在运行的快控电源于 2 0 0 6年开始投

决，宜直接串联，采用 H桥级联的模式。为降不故低开关损耗，常大功率开关器件开关频率偏低，通 但低频的 P WM控制会导致输出波形中含有大量

入运行，参数为最大输出电压± 0 最大输出其 8 0V,基金项目：家九五重点科技攻关项目 (( 9 8)3 3);国 1 9 10合

低频谐波。该次设计拟采用载波移相技术来提高系统的等效频率，善输出电压波形。改

肥工业大学大学生创新基金项目资助 ( S 0 0 5 X 2 10 )定稿日期： 01— 9 0 2 0 0—7

作者简介：仁增 ( 9 1 )男，东人，士研究生，究杨 17一，山硕研方向为电工理论新技术。

2 H桥输出谐波分

析 H桥逆变器采用双极性 P WM的调制方式 .如

7 6

基于DSP的H桥级联多电平逆变器的研究

基于 DS P的 H桥级联多电平逆变器的研究

图 1示。义 a b为调制波和载波的交点，为所定， E直流侧电压，载波 u和调制波的表达式为：

f 0 T一， 2≤ e2 (叮) 竹￣1十+ t T丌<州 ) 1“= s i n频率：为调制波频率。

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日经推导，。: u为

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式中：为载波初始相位；=,, 3,卜同；为载波 k 0 1 2,…。

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曰千岱二图 1 H桥逆变器 P WM调制方式

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sf e cln )孚 l ( ) i字 n jo( n" sm一= 1 2式中：载波 L。 F为 e,

s∞= + 2rk 1] U一 i一 n一 -(+ )2 r _c定义 M为调制度， wtY= e则有： X= c, wt,

显然输出波形中包含基波、次和高次谐波、低 载波及其边带频率的谐波 I。 2 J

2r+ ) 1 1一X=一k 1一7 ( c ("当 Wtb U/时，: c,s/==, 有e曼’ e=

s y i ) n

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3载波移相 H桥级联谐波分析 图 2示出 2 H桥级联结构 . 2桥的载波初则 H

粤 2十 1 i)"号( n一 r州sy r k

( 5 )

始相位相差 10,出电压为： 8。输

则输出波形为：

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E{ 2+ 21s) l1 1 ( i一≥T )+ n (一 My I=。

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2 H桥级联

对。进行傅里叶分解，:即

‰,)+ A s+mn ) (】:, ∑( n Bsn+ X iY’ -1

( 0,柑 imy+ A s n )

显然式中无 F次谐波 .大谐波出现在 2±最 F 1

∑∑I c (十y s(+ )7 4。m凡) i n] ) s 柏 n y (

次附近。若 H桥级联调制方式采用双极性。且并Ⅳ为偶数，义 O=,=" N,定/ 0 2 2r…Ⅳ N一 ) ' N l r/=( 1 2r r/为每个 H桥的载波初始相位， H桥的输出电压设分别为 M~ 。M。 l由式 ( 3可知，o 1) Ul 有相同的基波电压，而Ⅳ

B4 B一jE 2仃

J J M,~ d () f。 Yi d Y 8 f。 ) XY(一( e ( u (,) 8 )一

综合式 ( )式 ( )可得： 6和 8,

式 ( 3中的第 2部分为： 1)一

( J 十㈣— (+ J l乎孚 e孚半 1 e 。

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已知 ( 1 ,一):根据贝塞尔函数可得：

则总输出电压为：77

基于DSP的H桥级联多电平逆变器的研究

第4 4卷第 l 2期21 0 0年 1月 2=u 1 0+-. o=NM Esn+。+ 2 .+ I v 1 ‘’I I

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比较寄存器 C R~ MP 6的数值与定时计 MP 1 C R数器 T C T的数值进行比较，当数值相匹配时， xN 其关联的 P WM口状态发生跳变。设定通用定时器 1T C T ( 1 N )和通用定时器 3 T C T工作在同 (3N )步状态 .但 T C T和 T C T寄存器数值不同， 1N 3N则对应的 P WM1和 P WM7输出口可产生 0 1 0的~8。相移 P WM信号。

,~.N. r 1士 2 .3

∑∑』

T' l t

(盯cm s[ N+)t )s耵i( Fn s。 nm](5 1)

最大谐波主要集中在，± v l附近，输出电压 F为Ⅳ+ 1电平

,值为单个 H桥输出电压的Ⅳ倍。幅

4仿真 采用 Ma a/i uai t bSm lt n进行仿真，调制波为 l o 5 z每个 H桥载波为 75k z输出电压波形和 0H . . H。 频谱分析如图 3所示。

为产生相位互补的相移 P WM信号，第 T个在 t采样周期内， MP 1 C R C R~ MP 3的数值为：

c, .% -

1s告} ()一i M n 1 7

雾、电捌！游lm s/ kHz

k 0 1 2分别对应 C R1 C R, MP 3 - ., MP, MP 2 C R。 P MW12直接连接到驱动电路作为 P/ WM控制信

号. P而 MW3456连接到 G I A端口。过 C U/// PO通 P定时器 0产生定时中断，行延时 P进 WM输出，即可获得对应的相移 P WM信号。定时中断定时器 T C u tr值可根据相移角度 A o ne数 O获得，:即 c u tr one=‘ ( 8 1)

6实验 图 4示出 6个 H桥级联没有滤波电感时输出( )个H的输出电J c6轿}、 ( )/H的输出鬯』频} d 6￣皤 - 、

的 7电平电压波形，图 3与 a中波形相比，波形该显然更接近正弦。

图 3 H桥级联输出电压及频谱分析

图3 a为单个 H桥的输出电压及频谱分析，当 M= 1时 .大谐波出现在 75k z附近，最 . H 幅值为基

波幅值的 8 .7, D= 5 .3 43%删 1 80%。当降低时， 谐波含量增加。当 M= .,大谐波幅值为基 08时最波幅值的 185%, D= 6 .6 1 .5 192%。图3 b为 6个 H桥的输出电压及频谱分析，当M= 1时，大谐波出现在 4 H最 5k z附近，理论分与析相符，幅值为基波幅值的 98%,, 3 .1 .1 ) 43%。=If f备)/5rs l

图 4输}电压波形 _} j

7结论 H桥级联可解决新超导托卡马克核聚变实验

5 DS P实现载波移相采用 T 30 2 1 MS 2 F 8 2犁 D P来产生相移 P S WM

装置快控电源中低压 I B G T器件应用于高压场合的问题 .用载波移相可有效改善输出电压波形，采 降低谐波，高

等效开关频率。对 H桥级联谐波提情况进行了分析和仿真，并通过实验验证了其控制策略的有效性。

波。 T S 2 F 8 2片上 E A和 E B包含 4路通 M 30 2 1 V V用定时器和 4个比较/WM单元，可以产生 6对 PP WM波，并且具有死区和输出极性可编程的功能。设定 E A中的通用定时器 1和 E B中的通 V V

用定时器 3工作在连续升/降计数模式，计下其

数周期即为 P WM周期，x R寄存器数值由 P TP WM开关频率 ( . k z和 E模块的时钟频率 75 H ) V( 5MH )定，: 7 z决即

参考文献【】黄海宏， 1傅鹏，高格， .A T快控电源逆变器并等 ES联分析… .力电子技术，0 0 4 ( )5— 9电 2 1,4 3:7 5 .

T= _0 x舞 50 P R 07 8

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0w1i.html