基于SPWPM的移相全桥高频链逆变器研究

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基于 S P W P M的移相全桥高频链逆变器研究Re e c n Ph s— hf d F lb i g g—r q e c ikn er r s d o W PM s arh o a e s ie u l r e Hih fe u n y Ln lv t e n SP t— d e Ba华中科技大学电气与电子工程学院包健刚段善旭胡欢

Bao J a ga Du an u Hu Hu n i n ng an Sh x a

【摘要】分析了一种单极性移相全桥桥式高频链逆变器的主电路拓扑和工作原理 .述了正阐弦脉宽脉位调制 (P _ S )技术的实现原理，对移相 SW M软开关的原理和特点进行了讨论，给 PP出了利用 T s 2F 4 s片产生 SW￣控制信号的方法。最后通过仿真和实验验证了 SW￣ 3Q 2 0 OP芯 PP P P技术的正确性和可行性。 【关键词】单极性移相高频链逆变器正弦脉宽脉位调制软开关 D P S

Abs r t O nte b ss o ay igt e mancrutop l ya d worig picpe fu i tac: h a i f an lzn h i i it oog n c kn r ilso n np ar y ph s s fe u lb i g i h_r qu c i n rer t e pr ci l s o i us i ol i a e- hi d f l rd e h g fe en y l t t _ nk ive t, h i p e fs n o d n

p l dha dp s i d l i SP P tc n lg e cie ealMe n i, us wi n o i nmo ua o e t t o t n( W M)e h oo yi d s r di d ti s b n . a whl et e p p s s e h r c p e n h r c er t s o h a er cu s s t e p i i l s a d c a a t i i fSPW PM o ts t h n . e d gt di n sc s f wi i g Th i i - c al

SP PM o tolsgn en a ig tc iue i v op d by u ig TM S3 0F 0 DSP. W c n r i al g ertn e hnq sde el e sn 2 24 Fial t e smult d

e p i nl y, h i a i an x er on menales l e iesi aii n e sbit. t r ut v r i t v l t a d f a i ly s f s dy iKe y wor ds:Un - ol i h e s i ed Hi -r qu c i n ere SPW PM ip ar y p as - hf t t gh fe en y l i v t r nk So . wi h n DSP t f s t ig c

[中图分类号] T4 4 M 6

[献标识码] B文

文章编号 1 6 - 3 0(0 8 0— 0 8 0 10 3 20 ) 704 -5 5

l引言 目前，DC AC变电源已经在很/逆多领域得到了广泛的应用，尤其在新能源的开发和利用中，如光伏发电、 风力发电、燃料电池发电等场合， DCAC换器更是不可或缺。传统的/变逆变技术虽然成熟可靠，应用广泛， 但是存在体积大，笨重，音频噪声大等缺点…。高频链逆变技术利用高

正弦脉冲以及实现周波变换器的安全换流。现有的实现方案较多，相对而言， S￣p 4技术有突出的优点，它将高 p CMt] -, 5频链和S WM调制技术有机的结合在一 P起，因而中间变换环节少，结构简单，

2主电路拓扑与工作原理 单极性移相全桥桥式高频链逆变器的主电路拓扑见图l。该结构由高频逆变桥、高频变压器、周波变换器和输出滤波器等部分组成。由于采用 DC AC AC两级功率变换结构，电路//

整体变换效率和功率密度高。本文所提出的高频链逆变器的

方案为D// C两 CACA级功率变换结构，采用移相全桥桥式结构作为主电路拓扑，使用T 3 0 2 0DS MS 2 F 4 P

频变压器替代传统逆变器中的工频变压器，克服了上述缺点，显著的提高了逆变器的性能，有利于电力电子设备的小型化和轻量化，是当今电力电

芯片来产生S WP P M

子技术领域的研究热点之一。高频链逆变技术的关键问题在于如何通过开关管的高频切换来产生正确的

数字化控制信号。该方案思路清晰，实现过程简单灵活。图 1单极性移相全桥桥式高频链逆变器主电路拓扑

4 THE W ORL NVERT 8 D OF I ERS

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拓扑简洁紧凑，功率密度高，同时具有高频电气隔离，双向功率流动等特点，适用于高压输出、中大功率变换场合。

3 S I M技术原理分析 PP d3 1S WP . P M技术原理介绍 所谓的 S w P技术是指不仅对 P M

间，S…

S S。 ) S ¨(,S b和 ,S b 4 4 2 2

( S

S )驱动信号是互补的高频 的

方波，且相位关系固定，占空比恒定为5%。通过周波变换器的高频解调，使 0 S WP波恢复为单极性S W M波 ( P M P正半周时，恒为正脉冲 )输出正弦波负。半周时，高频逆变桥和周波变换器的工作状况与正半周类似。 由此可得，改变调制波的频率和幅值，就可以改变输出电压的频率和大小。如果采用闭环控制，当输出电压降低时，闭环反馈控制使得移相角e减 小，则有效共同导通时间增大，从而使输出电压增大。因此，通过调节移相角 e便可以实现输出电压的稳定。

脉；中的宽度进行调制，使其按照正弦规律变化，而且对脉；中的位置也进行调制，使调制后的波形中不含有直流

该电路基本工作原理如下：直流 电源 U经过移相全桥高频逆变，进行 d S w P调制，输出高频的双极性三 P M态的S WP脉； P M中，经由高频变压器

和低频成分。根据这种思路，先改变单极性 S W M波的结构，通过移相控 P制得到高频 S W P波，并由高频变 P M压器进行电气隔离和传输，然后通过周波变换器解调恢复为常规的单极性 S W M波，其变换过程见图2 P。 S W P技术原理 P M

进行电气隔离和电能传输，通过周波变换器高频解调后得到单极性 S W M P波，由L低通滤波，得到所需要的正 C弦交流输出电压供给负载使用。k

如图3示，图3所中详 细给出了开关管控制信号及各级输出波形的产生过程。图4出给

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32移相 S WP _ P M软开关原

理和特点移相 S W P P M软开关是以移相Z S V—

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了控制电路具体的逻辑关系，产生的各个开关管的驱动信号， 与图 3各级波形的的生成相对应。

P WM软开关技术为基础，两者在电路拓扑上没有区别。移相 Z—WM软开 VSP关多用于全桥 D: C换器，开关频率 (D变/和占空比都是恒定的，只需通过改变左、右桥臂开关管的相位差来调节输入的高频脉宽，得到所需的P WM脉冲， 从而控制输出电压。

图 2 S W P技术变换过程 P M_‘ l

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可以看出，互为

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反相的调制波 U. U 和

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r截，其交点确定各开关管先后导通和关断的时刻。以输出正弦

分别与 U锯齿载波交

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点

()关驱动信号频率恒定，但占 1开空比变化。如开关管 KI正弦波过零在点处占空比最小，此时两个相邻的 S W P脉冲宽度变化最大：在正弦 P M波达到幅值时占空比最大，此时两个相邻的S W P P M脉冲宽度基本不变： ()、右桥臂开关的相位差按正 2左弦规律变化，形成的高频 S W P脉 P M;中由高频变压器进行传输；左、右桥 臂的超前与滞后在输出电压的正负半

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波的正半周为例，移相全桥电路的四个开关管 K. K, K和、、 进行高￣S W P y P M斩 ,

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波，输出双极性三态的S WP P M脉冲。忽略

图 3 S WPM技术原理图 P

死区时间的影响，K.和 K、K3 K的驱动 和 信号互补，但 K.和 K、 K￣ K的驱动信 f - l号之间存在相位差 e(≤e≤ lO, 0 8。)即移

周是相互转换的，并且流过电流的大小也是按正弦规律变化的，因此移相全桥电路实现零电压开关的难易程度也是变化的： ()变器

输出的交流电压幅值大 3逆小由S W P P M波的调制比来决定。 下面详细分析一个开关周期内移相 S W P软开关的工作过程，主要原 P M

相角，如图3所。如果忽略周波变换器开图 4控制电路逻辑关系

关管的重叠导通时

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o波变换器换流重叠时间t。,

多，其占空比不是恒定的，相位差则是按照正弦变化，目前还没有专用的单片集成电路的解决方法。本文利用T公司的 T S 2 F 4 I M 30 2 0

以保证 S

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( ,S b与 S S ) ,S b 4 4 2 2

(, 3之间的平滑换 s s) b流和输出滤波电感电流的连续，同时也确保了

芯片的事件管理器来产生所有驱动信号。定时器 GP1移相控制信号和高、频 S W P脉冲的相位关系见图6, P M具

输出周波变换器功率器件的Z S V。t, § t tt t t B 91 11 o 12

体产生过程如下：‘ GP计数值处于连续增减计数模 1式，即从0始递增至设定值，然后又开递减至0,次自动反复循环。计数周依期为一个开关周期 ( L s 5 J) 0 。当计数值达

模态5 t,:【,t 4】t刻S 4时 Sh 4Sb ( 4 lS, )零电压关断。经过换

图 5一个开关周期内工作波形

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流重叠时间t。,电路

状态基本不变，原边电压 U F0:l经Sb E-’ - L 2, f Sa,S 2,S 3流通，原

go者设定值时，分别发生下溢中断 t或]或周期中断，在两个中断过程中修改 C P和C I中的比较值 .而后匹 M R1 MP配触发，可以获得 P WM驱动信号。 当GP1 0增至 A点，数值与由递计 C R1 MP比较寄存器值匹配，C RI MP输出电平发生跳变 ( 动由0变为 1 K驱跳 ,驱动由1跳变为0,当G 1 ) P由A点递增到B点，与 C R L较寄存器值匹配， MP 2 L 则C P 2出电平发生跳变 ( 1动由 M R输 1驱 ( o'为 1 K

驱动由 1变成 0。 l变 J￣ l,跳 )当GP的计数器达到设定值，然 1

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边电流 i向 .经， 反

D流通，滤波器前端 电压 U D0 c=。

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模态6 t,t,:I 】 t刻K零电压电流关 时断。因为D导通，将

图 6全比较单元产生移相 S W P驱动信号 P M

理波形见图5,电路工作过程大致可分为 1个工作模态，由于电路的对称性， 2

K两端电压箝位在零电位，这时关断

K,则为零电压关断。同时由于电流经 dK,D形成的回路，K中没有电流， 所以K又是零电流关断。

只需分析其中的6个工作模态即可。 模态 1 t,t】t刻前，变：【 0,时。压器原边绕组电压 U=0,流经 电 K,,D,通。 t时刻，K全电压开流。 通，i K, K流通，直流电源发出。经和功率。

后开始递减计数。当递减至c, D两点时，同样与比较寄存器里的值发生匹配，CMP和 C P 2出电平分 R1 M R输别发生跳变，以后过程类似。 由上边分析可知，移相 S WP P M驱动信号为不对称的P M波。因此， WA、 C、 B、 D点对应的比较匹配值也是

322 ..几点结论 ()相全桥 S W P 1移 P M逆变部分只能实现部分开关管的 Z。其实现的 VS机理在于：利用变压器漏感和外加谐振电感中的储能对开关管的并接电容

模态 2 t,t,时刻 K,电压：【 2 t】】I零关断，原边电流i 。从K中转移到C和C

进行充放电，抽走电容中的电流，并导通与开关管反并联的二极管。在正

支路中，, c充电，= (放电。在此期间， 2谐振电感滤波电感L f是串联的，_ l很大，可以认为i似不变，类似于一个 近框深： s D,, 流通。

不同的。这些比较值的计算和更新在

弦波的正负半周，左、右桥臂的超前与滞后是交替变化的，实现 Z的难 VS

GP的下溢中断和周期中断中进行。 1而周波变换部分的驱动信号的产生则相对简单一些，只需在 GP计数到 1

易程度

也是交替变化的。()波变换器完全实现了Z。 2周 VS

态3 t,t,时刻 K2电压模：【 t 2】2零

顶点时发生跳变，由C R来产生即 MP 3可。其中S、S、S Sb驱动信号 a的

开通。D导通后， ( 将l的电压箝位在零，

电位，这时开通l,零电压开通。 (则为 2 模态4 t,t,时刻 S 2:I 3 4t】3 2,Sb

4移相 S N H P P控制信号的 D P S实现传统的移相 Z—WM技术的驱 VS P动信号较为简单，用专用单片集成电

相同，S S S Sb 3的驱动相同， 但它们之间是互补的关系 (流重叠时换间除外 )。

(, 3零电压开通。在这段时间内， s s) bi 4 经D,K流通，U :i两个流通 日 有

路径，分别经s D,,￣ f D l, SD,S ,D流通。这段时间为输出周

路 (f￣ UC3 7等 )能产生。而移相 l 85就 S PW P驱动信号的产生要复杂的 M

5仿真和实验验证 在上述原理分析和实现方案讨论

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的基础上，进行了仿真和实验验证。仿真参数如

下：输入直流电压1 0变压器变 Ln 2:5, 5 V,￣= 22输出滤波电感L= .4 36 mH,滤波电容C=￣F, f6开关频率为2 k,载为阻性 lO ),输出为 5 Hz 0 Hz负 Of 0正弦电压。仿真结果如下：图 7变压器原边和副边为电压波形 (开波形 )展：图 8滤波器前端电压波为形和输出正弦电压。可见仿真波形与前面分析的结果一致。撕 J●

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图 9输出电压正、负半周前级逆变移相控制信号f f f

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图 7变压器原边和副边电压波形 (开波形 )展

( s 0 dv uG:1V/i,UD:10 dv) s 0 V/i 图 1开关管 K。 K, 0和驱动信号 U。和漏源端电压 U。

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图 8滤波器前端电压波形和输出正弦电压

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( s 0/i,UD:1 0 dv UG:1 V dv s 0 V/i)

制作实验样机一台，实验参数与仿真参数一致。图9为输出电压正、负半周的前级逆变移相控 制信号，显然，左、右桥臂的超前和滞后是交替变化的：图 1和图 l为开关管K.在输出电压正、 0 1和

图 1开关管 K. K,动信号 U。 1和驱和漏源端电压 U。

负半周的驱动信号u僻和漏源端电E U, - t波形。通过 s对比，可见部分开关管实现了Z,且左、右桥 VS而

臂实现z s V的难易程度也是交替变换的。图1为周 2波变换器开关管S S驱动信号 U。 和僻和漏源端电压 U。波形，可以看到开关管完全实现了Z。图 1 VS 3为变压器原边和副边 S WP电压波形。图 1为滤 P M 4( s 0/i,UD:1 0 dv uG:1 V dv s 0 V/i)

图 1周波变换器部分开关管的驱动 U。和漏源端电压 U。 2

波器前端电压波形和输出电压电流波形。输出电压波形很好的验证了基于 S W P的移 P M

相全桥高频链逆变器的正确性和可行性，也证明了S W P P M控制信号的 DS实现的正确性。 P .

6结束语 ()用的单极性移相全桥高频链逆变器，只需 1采两级功率变换结构，结构简洁紧凑，是实现功率的双向流动，高变换

效率和高功率密度的有效途径。。 ‘’

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图 l 变压器原边和副边 S W P电压波形 3 P M (下转第 81页)

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L S D M0 C上 PD S T调用P[ I_E I设置程序 )

最后经多次修改和调试。确定比例系数为 1积分时间为 l O,分 0。 O ms微

变频器在过载能力方面非常的强。由于变频器在初期调试时。皮带电机的

时间为0。经过运行发现能够满足现场 P D子程序 I L S D M0的生产工艺，主、从皮带平稳启动。

抱闸没有打开，且减速机的油泵电机没有启动，当时的过载电流几乎达到 4 0,大电流限幅下运行了十几 5 A在

P 2 1 O 2,程序的 I D0 2 D 2/ D D D子PD指令生成公式P D S 2S I I 1S 3 D

4连锁 j 空制连锁控制主要实现如下功能：

秒，变频器没有发生任何故障。 作者简介张彬供职于内蒙古森鼎环保节

L M DS0MOV D10D2/定目标值 0 0/设

(启时主从器起 1动、变频—启动， )一起停止：

MO 1 O, V 0D/采样时间(s范围 T)为 1 3 7 7ms但比运算周期短的时￣ 26 ( )

() 2任何一台变频器故障，则另外一台变频器立即停止。

能股份有限公司。

间数值无法执行MO 3, V 3D1/方向动作 MOV 2, 0D/滤波时间常数

连锁控制的实现通过中间继电器参考文献(计院设计。可以通过 P C实现 )设 L。 【艾默生网络能源有限公司.艾默生 l 1公司 E V 30系列通用变频器 00

M V 00 3/例增益(p O 1 , 0D比 K)MOV 1 4,分时间T D/积 I MS

5结束语 经过 2月左右的运行发现，系个

【陶华新 P控及应 .京 2永 .型I制其用北：】 D机械工业出版社

MO 0D5, V

/微分增益( D) KMO 0D6,分时间 V /微

统能够运行非常稳定。皮带启动电流为 10 2 A左右。主、从变频器启动频率

【艾默生网络能源有限公司. C0 3] E 2系统手册【 4 1韩安荣.通用变频器及其应用.北京：械

MO 0D1/ V 5,输入变化量MO 0D1/入变化量 V 6/输 MOV 0 0D1/出上限设 20 7/输 MOV 8/出下限设 0D1,输

完全一致，启动电流主变频器略大于从变频器，启动平稳可靠，完全能够满足生产要求。 E 00频器设置面 V30变板具有中文显示功能，而且参数设置

工业出版社[ 5 1刘保录.电机拖动与控制.西安：西安电 子科技大学出版社 f】艾默生网络能源有限公司.E 2— A 6 C 05 M

33实际参数调整设置 .(接第 51页 )上

非常简单，便于现场的维护：该系列交替变化的；而

使用说明v re o S wi a n w o a e da e . e tr f r UP t e v R g mp r h I EEE PE SC’ 0, 9 0: 4 -7 6 9 l9 79 5

I

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周波变换器则是

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完全的Z VS,小减了开关损耗。( )仿真和实 4

【】陈道炼， 2张友军 .单极性移相控制高频脉冲交流环节逆变器研究 .中国电机工程学报，2 0, 34: 7 3 0 3 2 ( )2— 0

_一一 - _ r一I r rl∞硒h, 】

验结果表明，基于S W P的单极性 P M移相全桥高频链逆

【]李磊，文斌， 3胡陈劲操等 .两种移相控制全桥式高频环节逆变器比较研究 .中国电机工程学报，0 6 2()l0 0 20,66:0—14【】 La Xi n d n W u 4 i a g o g, Ba f n, i o a g DaZ pi e 1 SP PM C—A Co hi ng t a . W D C n—v r e w i h H i Fr qu nc Li k. e tr t gh e e y n

图

滤波器前端电压波形和输出电压电流波形

()用基于T S 2 F 4 P 2采 M 3 0 2 0DS的 S W P技术数字化实现方案，很好 P M

变器是完

全正确和可行的，这对于开发实际的中小型、数字化的逆变装置具有

的解决了高频S WP P M信号的产生和解调问题。该方案简单灵活，可移植

很好的借鉴意义，应用前景广阔。

I M C’ 7, 9 7: 6 l PE 9 l 9 3[ -3 9

性好，只需一个事件管理器就可 作者简介精确产生所有驱动信号。 包健刚 (9 2 )男 18一 研究生在

【]吴保芳，向东，国顺 .一种具有高频 5赖段

链高频环节的 S W P变换电路的研究 .电 P M力电子技术，9 71)4— 6 19 (1:4 4

() 3单极性移相S WP P M控制可以实现前级移相全桥电路部分开关管的

读，主要研究方向：高频链逆变技术。

【]张玉明，晓，力 .全桥高频链逆变器 6孙 L的移相 S W M技术 .电力电子技术，03 3 P 20,7()6— l 2:9 7

zVs,而且在输出正弦波的正负半参考文献周，左右桥臂的超前和滞后是相互交替的，因而实现 Z的难易程度也是 VS㈨ Y m t I ou aaN, t d t a a, kn g Ma u aY e o T s a.Hg rq ec ik D/ o— 1 i f un y l C AC cn h e n

THE WORL OF I D NVE RTERS 81

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qa24.html