单相全桥逆变器单周期控制技术研究

本科毕业设计（论文）

单相全桥逆变器单周期控制技

术研究

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燕 山 大 学

2012年6月

本科毕业设计（论文）

单相全桥逆变器单周期控制

技术研究

学院（系）：里仁学院 专 业：*** 学生 姓名：*** 学 号：*** 指导 教师：*** 答辩 日期：2012年6月17日

燕山大学毕业设计（论文）任务书

学院：里仁学院 系级教学单位：电气工程及自动化系 学 学生 专 业 *** *** 应电08-2 号 姓名 班 级 题目名称 单相全桥逆变器单周期控制技术研究 1.理工类：工程设计 （√）；工程技术实验研究型（ ）； 题 目 题目性质 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。 2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。 题目类型 1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ） 题目来源 科研课题（ √ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 掌握单周期控制的基本原理，并将其应用于单相全桥逆变电路。掌握PSIM仿真软件，仿真实现单相空间矢量调制的单相全桥逆变器。 主 要 内 容 基 本 要 求 参 考 资 料 周 次 应 完 成 的 内 容 1.设计单相全桥逆变器的主电路结构及元、器件参数 2.设计单周期控制算法 3.仿真实现单周期控制的单相全桥逆变器 1.IEEE相关期刊文献 2.中文核心期刊 3.相关领域专著 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周 文献阅读，英掌握基本概念系统软硬件仿真研究，撰写毕业设计报文文献翻译 和基本方法 设计，熟练结果获取 告书，答辩 使用仿真软件 指导教师：*** 职称：副教授 2011年12月31日

系级教学单位审批： 年 月 日

第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理

Vo?11?LRS?LCS2Vref （2-4）

采用这种非线性的控制方法，开关变量Vd平均值的过渡过程将在一个开关周期内完成，因此定义这种控制方法为单周期控制(One-Cycle Control)。由于这种控制方式是在假定电路处于准稳态的条件下而推出的控制方法，所以又称做为准稳态控制QSSC(Quasi—Steady—State Control)。

2.4 双极性调制方式下的单周期控制技术基本原理分析

控制技术运用到单相全桥逆变器中，因此不能像buck变换器那样由触发器产生复位脉冲复位积分器，而是要顾及到逆变电路中的交流变量，因此，本文在其中加入了窄为了获得比较理想的正弦波输出，逆变器通常采用正弦脉宽调制(SPWM)方式。正弦脉宽调制可以分为双极性调制(BPWM)方式和单极性调制(UPWM)方式。在这两种调制方式中所有的功率管均工作在高频状态。虽然和双极性调制相比，单极性调制的开关频率在“实效上”增加了一倍，使得输出电压波形的谐波频谱有所改善，但其代价是产生了较大的开关损耗，频率越高，损耗越大，二者相矛盾。本次设计所研究的是在双极性调制方式下的单周期控制技术在单相全桥逆变器中的应用。

单周期控制的基本思路是设计一个控制内环控制开关变化器的开关变量，使其在一个开关周期内的平均值等于参考信号，从而跟踪给定控制输出。本次设计是将单周期脉冲发生器。

窄脉冲发生器具体是由一个R-S触发器和一个延时器组成。当控制电路中的触发器的Q的下降沿产生了复位信号时，先由窄脉冲发生器将信号传送给积分器使其复位，然后在度过极短的时间后由延时装置对窄脉冲发生器中的触发器复位，即给R端一个高电平，从而积分器可以由零继续对开关变量积分，本次设计的延时器时间为1μs，即为窄脉冲发生器的脉宽宽度。

如图2-6所示为窄脉冲发生器的仿真图。

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燕山大学本科生毕业设计（论文） SSETQ2RCLRQ3

1图2-6 窄脉冲发生器

本次毕业设计课题的基本设计思路是将单周期控制的相关原理运用于单相全桥逆变电路中。如图所示为双极性调制方式下的单相全桥逆变器单周期控制技术原理图，该控制器包含一个积分（复位）器，比较器，R-S触发器和积分器电路复位。其基本工作原理为：当时钟到来时，R-S触发器被置位（Q变为1），关断S1、S4触发S2、S3在这个开关状态下，控制变量Vd=-E。反相积分器开始对Vd进行积分，积分器的输出电压Vint从初始值开始单调上升。当Vint上升到控制参考信号Vref时，由比较器的输出端产生一个复位脉冲将触发器复位（Q变为0），开始下一个开关状态，关断S2、S3触发S1、S4。同时Q的下降沿产生一个窄脉冲来复位积分器。积分器在复位之后将从零开始积分。在这个开关状态下，控制变量Vp=E，积分器输出电压Vint一直单调下降。当时钟信号到来时，开始下一个周期。以后的每个开关周期，开关都以相同的规律工作，且每个开关周期内，积分器瞬时复位，正向、反向积分各一次。

在这种控制方式下，逆变器的四个开关均处于高频状态，开关损耗较大，并且由于单周期控制在一个时钟周期内认为参考电压不变化，所以在这种调制方式下电压波形质量不理想。

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第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理

SSETQRCLRQsRi- INT+Ls1VD1s3VD3CiV4vvV3+ COMP-SSETQEs2VD2Vds4VD4CRvVP1RCLRQAC 图2-7 单相全桥逆变器单周期控制原理框图

我们再介绍一下控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形。如下图2-8所示，为控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形图。

ClockQ VpVrefVintT0T1T2T3T4

图2-8 控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形图

通过这样的控制，图2-8中在T1-T3内开关变量Vp的平均值与Vref成

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 正比。在稳定状态下，T1-T2时间间隔等于T3-T4时间间隔，因此，在开关周期中，Vp的平均值与Vref成正比，因为这个规律是重复循环的，所以Vp的平均值在每一个开关周期中都与Vref成正比。控制可概括为：

T3?vpR1C1T1dt?vref （2-5）

其中RI和C1分别为电阻值和电容值。

vp?1Ts

?Ts0vpdt?kvref （2-6）

其中，k = R1C1／Ts ，Ts为开关周期。 K是电压从Vref到Vp的增益。 当Vref是一个大型的交流信号，没有直流稳定状态，因此从T1到T2的时间间隔不一定等于T3到T4的时间间隔。不过，当Vref频率远低于开关频率时，这是通常情况下，临近周期的（T2-T1）是非常接近的（T4 -T3）的，因此，本控制技术是有效的。单周期控制的新扩展可以适用于任何双极型开关转换器，如半桥、全桥、或四象限Cuk变换器等。

2.5 本章小结

本章先介绍了单相全桥逆变器的基本原理，再简单介绍了buck变换器的工作过程及单周期控制技术在buck变换器中的应用，引出了一种新型的控制方式——单周期控制技术的基本原理，并将在双极性调制方式下运用在单相全桥逆变器之中，从而有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿，证实了单周期控制系统具有良好的稳定性。

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第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计

第3章 单相全桥逆变器单周期控制

的参数与器件设计

3.1 引言

上一章重点讨论了单周期控制技术与单相全桥逆变器的相关原理，并将该控制方法运用到单相全桥逆变电路中，从而得出该控制方法的优点和该种控制方法适用于多种情况，比如：恒导通时间、恒关断时间、变导通时间和变关断时间等。本章将以恒定开关频率为例，来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。

3.2 主电路参数设计

本次设计的实验条件如下： 输出电压有效值：200V 输入直流电压：400V 输出功率：1kw 开关频率：20kHz

3.2.1 输出滤波器的设计

对于CVCF一类电源，由于负载对输出电压的失真度要求比较严格，实际输出电压失真度往往高于允许值，因此需要进一步抑制谐波含量；另外，CVCF电源的输出频率是恒定的，因此在逆变输出和负载之间附加输出滤波器是常用措施。

在交流逆变电源中，逆变器输出的滤波器是必不可少的重要组成部分，它的作用在于减少逆变器输出电压中的谐波，使输出电压波形正弦化。一般对滤波器的要求如下：

1）使输出电压的单次谐波及总谐波含量降到指标允许范围内； 2）在直流侧欠压且满载时，输出电压仍能达到额定值且不出现低次谐波； 3）不过分影响逆变电源带非线性负载的能力； 4）空载时滤波器输入电流要小；

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第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计

C+RLM358-图3-3 LM358引脚图

3.3.2 比较器设计

本次设计中选用的比较器为LM339，如图所示。

532+LM33914-

图3-4 LM339引脚图

图中，1为输出端，2为负输入端，3为正输入端，4接地，5接正电源。

3.3.3 触发器的设计

本次设计选用的触发器为CD4013，如图所示为CD4013引脚图。

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 1234567Q1-Q1CLOCK1RESET1D1SET1VSSVDDQ2-Q2CLOCK2RESET2D2SET2141312111098

图3-5 CD4013引脚图

3.3.4 双向电子开关的设计

本次设计选择的双向电子开关为CD4016，如图3-6所示。

1234567IN/OUTOUT/INOUT/ININ/OUTVDDCONTROL ACONTROL D141312111098

CD4016IN/OUTOUT/INOUT/ININ/OUTCONTROL BCONTROL CVSS图3-6 CD4016引脚图

3.4 本章小结

本章主要以恒定开关频率为例，来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。在已给定的设计条件下，对主电

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第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计

路滤波器参数设计、输出负载电阻及相应开关器件（如MOSFET）的设计、控制电路积分器的参数设计以及的选取工作进行了安排与落实，为下面的仿真实验工作做好了理论基础准备。

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 第4章 基于单相全桥逆变器的单周期控制的

系统仿真

4.1 引言

前几章中对单相全桥逆变器单周期控制电路进行了理论分析，并给出了详细的参数设计，分析和设计的结果都需要经过计算机仿真和实验进行验证。下面我们先来介绍一下本次设计所用的电路仿真软件PSIM，再对系统进行仿真验证工作。

4.2 电路仿真软件PSIM的概述

4.2.1 PSIM的仿真环境的介绍

PSIM的全称为Power Simulation，意为电力电子仿真软件。它提供了强大的仿真环境，高效、便利的用户接触界面，为电力电子以及电动机驱动系统的设计、数字控制与数值分析带来了诸多方便。

PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。 PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。 本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。

4.2.2 PSIM仿真软件的运行阶段

主要包括三个阶段:PSIM电路示意性程序、PSIM仿真器、SIMVIEW波形形成过程项目。软件运行时这三个部分依次进行，其流程图如图所示。不同的阶段，有不同的文件类型:PSIM电路示意性程序的输入文件类型为*.Sch;PSIM仿真器的输入文件类型为*.cct、输出文件类型为*.txt；SIMVIEW波形形成过程项目的输入文件类型为*.txt。

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第4章 基于单相全桥逆变器单周期控制的系统仿真

PSIM电路示意性程序PSIM仿真器SIMVIEW波形形成过程项目

图4-1 PSIM软件运行流程图

4.2.3 PSlM仿真软件的电路结构

电路结构分为四个部分:电力电子电路、开关控制器、控制电路和传感器。这四部分之间的关系如图所示:电力电子电路包括变压器、转换装置、联结感应器、谐振分支。控制电路可以控制各种元器件，例如:逻辑元器件(包括flip flop和逻辑门)、非线性元器件(包括乘法器和除法器)以及S域和Z域里的元器件。控制开关的过程为:控制电路产生门信号，此信号通过开关控制器，最后反馈到电力电子电路来进行具体控制。传感器的作用是测量电力电子电路的电流值或电压值，并把所测信号传入控制电路中。

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