李少龍,徐艷超,李　棟,楊曉潔,常家榮,唐雨松

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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具有倍頻倍流的新型調(diào)制技術(shù)研究

李少龍,徐艷超,李棟,楊曉潔,常家榮,唐雨松

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要介紹了一種優(yōu)化的SPWM調(diào)制技術(shù),在盡量減少硬件成本的前提下,提出新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)并給出新的調(diào)制方式,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配合新的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了倍頻、擴(kuò)容的目的。相對(duì)以往研究,該方案無需增加開關(guān)管的開關(guān)頻率即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓倍頻,且無需復(fù)雜控制和較多的硬件成本提升即可實(shí)現(xiàn)輸出電流倍流。為了驗(yàn)證該調(diào)制技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性,文中使用Matlab/Simulink對(duì)基于該調(diào)制技術(shù)的逆變器搭建了仿真進(jìn)行驗(yàn)證,證明本文所提出的調(diào)制方法的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中也呈現(xiàn)了較好的均流效果,且MOSFET發(fā)熱較小,從而實(shí)現(xiàn)了倍頻與擴(kuò)容的目的。

關(guān)鍵詞逆變器;新型調(diào)制技術(shù);倍頻倍流;新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)最新的市場分析,到2015年我國光伏逆變器需求量將達(dá)到5 GW,2020年將達(dá)到10 GW,面對(duì)巨大的市場份額,對(duì)光伏逆變器的研究也一直保持著一定熱度[1]。離網(wǎng)逆變器的技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,但對(duì)大功率離網(wǎng)逆變器的研究仍有較大的提升空間[2]。

國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量離網(wǎng)逆變器的研究,常規(guī)功率較小的離網(wǎng)逆變器使用MOSFET作為開關(guān)管,功率較大則使用IGBT作為開關(guān)管。IGBT相對(duì)于MOSFET有功率等級(jí)大的優(yōu)點(diǎn),但是必須指出的是IGBT具有電流拖尾、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜和驅(qū)動(dòng)成本高等缺點(diǎn)[3]。光伏離網(wǎng)逆變器的輸出電壓可近似視為恒定不變,所謂的大功率即對(duì)輸出電流的需求不斷增大,在電壓較低電流輸出大的場合多數(shù)情況下使用MOSFET并聯(lián)均流來替代IGBT,從而達(dá)到大功率輸出和降低成本得目的。但MOSFET的均流就會(huì)帶來新的問題,例如,MOSFET的均流效果如何,開關(guān)管的開通時(shí)間延遲不一致等問題[4],而這一系列的問題的解決也帶來了整體離網(wǎng)逆變器的成本增加。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上所提出新的調(diào)制方式,在僅增加一個(gè)橋臂的前提下,實(shí)現(xiàn)了倍頻與倍流的效果,這樣的調(diào)制方式可減小開關(guān)損耗,減少濾波電感的體積,大幅減少硬件成本,且本文所提出的新型的調(diào)制方式從理論分析上具有較好的均流效果。

1優(yōu)化PWM技術(shù)

在調(diào)制信號(hào)正弦化的PWM技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的PWM調(diào)制技術(shù),簡稱SPWM調(diào)制技術(shù)。單極性SPWM相對(duì)雙極性SPWM具有諧波小,擁有開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn),但在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上較為困難[5]。隨著SPWM調(diào)制技術(shù)不斷發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者還提出了倍頻式SPWM技術(shù)、有選擇消除諧波SPWM等技術(shù)[6]。本文所提出的優(yōu)化SPWM技術(shù)是基于單極性SPWM技術(shù)上所提出的。

該調(diào)制技術(shù)是使用6個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)倍頻和加大功率等級(jí),電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式波形如圖2所示。

圖1　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式波形

在帶感性負(fù)載后,負(fù)載電流連續(xù),電路電量波形如圖3所示,圖中波形從上到下分別為Uo、Io、Iin。由圖可知,一個(gè)周期內(nèi)包含4個(gè)時(shí)區(qū),8個(gè)工作狀態(tài),由于輸出電壓的正負(fù)兩個(gè)周期對(duì)稱,所以僅介紹工作在正半周期的電路工作情況:

(1)時(shí)區(qū)一,如圖4(a)～圖4(c)所示。該時(shí)區(qū)下負(fù)載電流io<0,uab>0,VD1連續(xù)導(dǎo)通,VD4、VD4′1和VT2,VD4、VD4′1和VT2′1輪番導(dǎo)通,其中工作在圖5(a)情況下,uab=Ud;如圖4(b)和4(c)所示時(shí),uab=0;

(2)時(shí)區(qū)二,如圖4(d)～圖4(f)所示。該時(shí)區(qū)下負(fù)載電流io>0,uab>0,VT1連續(xù)導(dǎo)通,VD2、VD2′1和VT4,VD2、VD2′1和VT4′1輪番導(dǎo)通,其中工作在圖4(e)情況下,uab=0;如圖4(f)和圖4(g)所示時(shí),uab=Ud。

對(duì)輸出電壓uab進(jìn)行分析(實(shí)際中載波頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制波頻率,所以使用平均值模型進(jìn)行分析),由于uab的波形正負(fù)對(duì)稱,所對(duì)只針對(duì)正半周分析。uab在載波周期Tc內(nèi)可表示為

(1)

式(1)中,D2為VT2在一個(gè)載波周期內(nèi)的占空比,D2′1為VT2′1在一個(gè)載波周期占空比由式(1)可計(jì)算得到uab在Tc內(nèi)的平均值為

(2)

在載波周期遠(yuǎn)小于調(diào)制波周期時(shí),可近似有

(3)

式中,M(t)為調(diào)制波與載波比值函數(shù)。

由式(3)和式(2)可得

(4)

式中,m為調(diào)制波峰值與載波峰值比值由于載波周期遠(yuǎn)小于調(diào)制波周期,所以可得輸出電壓的基波分量的峰值Uab1m與Ud有以下近似關(guān)系

Uab1m=mUd

(5)

輸出電流Io在一個(gè)載波周期Tc內(nèi)可由式(1)表示為

(6)

式(6)可得到輸出電流Io在Tc內(nèi)平均值

(7)

同理VT2和VT2′1輸出電流IVT2和IVT2′1分別為

(8)

由式(3)和式(8)可得

(9)

由此可看出,每個(gè)MOSFET流過的電流僅為輸出電流的1/2(VT4和VT4′1同理可得)。所以可看作將整個(gè)輸出的功率增大了一倍。

圖3　電路電量波形

圖4　電路工作模式

由以上分析可看出,該調(diào)制技術(shù)與單極性SPWM調(diào)制相似,但該調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電壓倍頻效果[7-8]。由于VT2和VT2′1、VT4和VT4′1是正向交替導(dǎo)通,其反相時(shí)為并聯(lián)均流,所以在不改變其參數(shù)時(shí),可實(shí)現(xiàn)輸出電流的倍流。電路中的VT1和VT3由于工作在低頻狀態(tài),可使用雙向可控硅作為開關(guān)管,而VT2、VT4、VT2′1、VT4′1能使用MOSFET,由于MOSFET具有正溫度系數(shù)[9]且每個(gè)并聯(lián)的MOSFET最多只導(dǎo)通周期的1/2,這就使在MOSFET工作在正向和反向?qū)〞r(shí)可具有較好的均流效果。在實(shí)際應(yīng)用中,電路的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用文中所述的三橋臂結(jié)構(gòu),即一路橋臂使用開關(guān)頻率較低和成本較低的雙向可控硅,而剩下兩路橋臂的開關(guān)管則選取MOSFET,但驅(qū)動(dòng)電路則需要分別正對(duì)每一個(gè)橋臂進(jìn)行設(shè)計(jì),而其中MOSFET開關(guān)管的額定電流選取按照輸出額定電流的0.75倍來選取電流參數(shù),雙向可控硅則是按照輸出額定電流的1.5倍選取。以DSP2812為例,使用該調(diào)制方式時(shí),利用查表法實(shí)現(xiàn)該新型調(diào)制技術(shù)的SPWM輸出,值得注意的是實(shí)際查表法中的載波比是按照輸出電壓與基波頻率比來計(jì)算。通過以上分析可得出,在增加兩個(gè)MOSFET便可實(shí)現(xiàn)輸出電壓倍頻,最大輸出電流倍流的效果,在實(shí)際應(yīng)用中將可為大功率離網(wǎng)逆變器的成本進(jìn)行大量節(jié)約,其控制也不需復(fù)雜的算法策略。在理論上該方法是可繼續(xù)添加橋臂進(jìn)行倍頻和擴(kuò)容,但現(xiàn)實(shí)中受到GTO容量、單片機(jī)的運(yùn)算速度與精度和MOSFET脈沖漏電流大小的制約。

2仿真研究

為驗(yàn)證本文所提出調(diào)制方式的正確性,文中采用Matlab/Simulink軟件對(duì)1 kW逆變器進(jìn)行了仿真。本文采用仿真參數(shù):直流電壓400 V,PWM波頻率為20 kHz,LC濾波為1 mH和4.7 μF,前級(jí)母線支撐電容330 μF。仿真結(jié)果顯示IVT2和IVT2′1分別為Io的1/2。VT2和VT2′1的開關(guān)波形和uab波形如圖5所示,圖中從上到下的波形分別為uab、VT2和VT2′1,可看出該調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了倍頻。

圖5　VT2和VT2′1的開關(guān)波形和uab波形

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性,本文對(duì)所研制的單相逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。輸出為220 V,50 Hz,額定功率1 kW。采用DSP2812單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制,并使用查表法實(shí)現(xiàn)SPWM輸出,因在該電壓電流等級(jí)下的MOSFET的結(jié)電容均較小,故可以直接使用驅(qū)動(dòng)芯片即可,無需再外加圖騰柱電路來增大驅(qū)動(dòng)電流。在實(shí)際運(yùn)行中可該調(diào)制方式具有較好的輸出效果,且實(shí)際樣機(jī)中MOSFET選取均按照額定電流的0.75倍裕量選取。實(shí)際輸出波形如圖6所示,下橋臂VT3和VT3′1驅(qū)動(dòng)波形,如圖7所示。最后測得在額定功率下的下橋臂VT3和VT3′1和上橋臂VT2和VT2′1電流有效值的差值均小于0.5 A,呈現(xiàn)較好的均流效果。

圖6　輸出波形

圖7　下橋臂VT3和VT3′1驅(qū)動(dòng)波形

4結(jié)束語

通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證明本文所提出的調(diào)制方法的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中也呈現(xiàn)了較好的均流效果,且MOSFET發(fā)熱較小,從而實(shí)現(xiàn)了倍頻與擴(kuò)容的目的。本文所提出的新調(diào)制技術(shù)不僅可運(yùn)用于光伏離網(wǎng)逆變器,對(duì)于現(xiàn)在正在大力發(fā)展的新能源汽車領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用空間。但需要指出的是,該調(diào)制下的MOSFET選取時(shí),需要注意脈沖漏電流的選取,因就單個(gè)調(diào)制周期而言,文中的MOSFET電流應(yīng)力并未減小,實(shí)現(xiàn)的是電流有效值的均流,而在市場上的MOSFET大多具有較大的脈沖漏電流,一般為連續(xù)漏電流的3～4倍,則完全可實(shí)現(xiàn)倍流擴(kuò)容。

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New Modulation Technique with Doubled Frequency and Current

LI Shaolong,XU Yanchao,LI Dong,YANG Xiaojie,CHANG Jiarong,TANG Yusong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper describes an optimized SPWM modulation technique with new topology for doubling the frequency and current while minimizing hardware costs.Double output current is achieved without the need for increasing the frequency of the switch and complex hardware in the output voltage multiplier.Matlab/Simulink simulation of an as-modulated inverter is performed to verify the feasibility of the proposed modulation technique and topology.Practical application also demonstrates good equalization effect and low MOSFET temperature and thus frequency is doubled and capacity is enlarged.

Keywordsinverter;new modulation technology;double frequency and current;new topology

中圖分類號(hào)TM919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-183-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.049

作者簡介:李少龍(1972—),男,碩士,講師。研究方向:電力電子非線性及控制。

收稿日期:2015- 07- 28