時(shí)國(guó)平，錢(qián)葉冊(cè)，孫 佐，張勛友

(池州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 池州 247000)

隨著國(guó)家對(duì)新型能源政策的大力扶持，電力電子裝置的應(yīng)用逐步提高.一次能源所發(fā)出的電能往往體現(xiàn)出低壓大電流的性質(zhì)，這種情況下為了實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)并網(wǎng)，不得不增加變壓器作為輸出級(jí)，這樣使得效率低、可靠性差.若采用多電平技術(shù)，就不需要輸出變壓器，可以直接得到并網(wǎng)所需的電網(wǎng)電壓，使得系統(tǒng)可靠、方便[1-2].

目前以三電平為主的多電平方法被廣泛應(yīng)用于大功率高壓供電的交流調(diào)速領(lǐng)域.但是，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于工作于非線(xiàn)性狀態(tài)的功率開(kāi)關(guān)電路的分析進(jìn)展不大，常用的線(xiàn)性化分析方法與工程實(shí)際相差太遠(yuǎn)[3].本文引入開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化分析方法，分析逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)與開(kāi)關(guān)角的關(guān)系，對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行函數(shù)化處理，便于三電平逆變器在功率開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用.

1 三電平逆變器工作原理

以常見(jiàn)的二極管鉗位式三電平逆變器為例來(lái)分析其工作原理.在二極管鉗位式三電平逆變器拓?fù)?見(jiàn)圖1)中，增添的兩個(gè)鉗位二極管連接到中點(diǎn)O，使其開(kāi)關(guān)狀態(tài)比兩電平多出一個(gè)，共有3種狀態(tài).其中鉗位二極管可以防止直流分壓電容Cd1或Cd2工作時(shí)發(fā)生短路.每2個(gè)主開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷決定一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)[4-5].

圖1 二極管鉗位式三電平逆變器電路拓?fù)?/p>

以A相為例，引入變量SA表示A相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài).其工作原理分析如下：當(dāng)Sa1、Sa2導(dǎo)通，Sa3、Sa4關(guān)斷時(shí)，這種狀態(tài)定義為2態(tài)，即SA=2，輸出端A對(duì)中點(diǎn)O的電位為E/2；當(dāng)Sa2、Sa3導(dǎo)通，Sa1、Sa4關(guān)斷時(shí)，這種狀態(tài)定義為1態(tài)，即SA=1，輸出端A對(duì)中點(diǎn)O的電位為0；當(dāng)Sa3、Sa4導(dǎo)通，Sa1、Sa2關(guān)斷時(shí)，這種狀態(tài)定義為0態(tài)，即SA=0，輸出端A對(duì)中點(diǎn)O的電位為-E/2.

按照前面三電平逆變器分析過(guò)程中所定義的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化的方法，由二極管鉗位三電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)Si與開(kāi)關(guān)角θ間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出三電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化表達(dá)式為：

Si=Si(θ)θ∈[0 2π]

(1)

式(1)中i=A,B,C，例如當(dāng)i=A時(shí)，A相開(kāi)關(guān)狀態(tài)與開(kāi)關(guān)角θ之間的函數(shù)化表達(dá)式SA=SA(θ)如式(2)所示.

(2)

式(2)所表達(dá)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與開(kāi)關(guān)角θ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系也是一種分段函數(shù)的關(guān)系，定義域開(kāi)關(guān)角θ在整體上是離散分布的，每一種狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)角θ區(qū)間更加細(xì)化，即定義域開(kāi)關(guān)角θ離散化分布更加明顯，在此稱(chēng)式(2)所表達(dá)的數(shù)學(xué)關(guān)系為三電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化[6].

同樣，給定一個(gè)開(kāi)關(guān)角θ的區(qū)間就對(duì)應(yīng)著一組開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著每相的各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，進(jìn)而使得輸出電壓呈不同的電平.通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化的分析，就能建立起三電平逆變器輸出相電壓與開(kāi)關(guān)狀態(tài)及開(kāi)關(guān)角θ之間的函數(shù)表達(dá)式.由前面開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化分析可得A、B、C三相輸出的相電壓UAO、UBO、UCO與三相開(kāi)關(guān)變量SA、SB、SC及開(kāi)關(guān)角θ間的函數(shù)關(guān)系式：以UAO為例，其表達(dá)式為：

(3)

2 硬件設(shè)計(jì)

以TMS320LF2407A為核心的三電平逆變器硬件系統(tǒng)框圖(見(jiàn)圖2)，本系統(tǒng)主要由三電平逆變器主電路、DSP系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路和隔離電路等構(gòu)成[7-8].

圖2 三電平逆變器系統(tǒng)框圖

2.1 逆變器主電路

逆變器主電路是整個(gè)系統(tǒng)的功率變換部分，主要實(shí)現(xiàn)電能的DC/AC轉(zhuǎn)換，由分壓電容、鉗位二極管和功率開(kāi)關(guān)管組成.

2.2 DSP系統(tǒng)

DSP系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文采用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要產(chǎn)生逆變器主電路各開(kāi)關(guān)管所需的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)一定的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的控制；本控制電路采用TMS320LF2407作為控制芯片，工作頻率最高為40 MHz，指令周期僅為25 ns；并且集成了許多控制模塊，例如事件管理器模塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種PWM控制算法.

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

DSP系統(tǒng)產(chǎn)生的各開(kāi)關(guān)管SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制主電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號(hào)連接.選用IR2110芯片，該芯片是由美國(guó)IR公司生產(chǎn)的.IR2110是雙輸入雙輸出的驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)作為三電平逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器.

2.4 隔離電路

由于驅(qū)動(dòng)芯片IR2110為雙輸入雙輸出的，所以驅(qū)動(dòng)的輸入端和兩個(gè)光耦的輸出端共用一個(gè)+5 V電源.為了與光耦6N137輸出信號(hào)匹配，其輸入端VDD和VSS之間接+5 V電源，連接時(shí)需要接一個(gè)0.1 μF的去耦電容.輸入HIN端和LIN端接光耦的輸出端VO，光耦的GND端和驅(qū)動(dòng)的VSS端接+5 V電源地.

3 軟件設(shè)計(jì)

本文中SPWM算法通過(guò)查表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件電路搭建完成后，關(guān)鍵在于用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)本算法，程序的設(shè)計(jì)過(guò)程采用模塊化的編程方法，每一個(gè)模塊完成一個(gè)特定的功能，這樣可以方便調(diào)試，也使得有錯(cuò)誤時(shí)可以方便準(zhǔn)確的查找并進(jìn)行修改.

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序流程圖(見(jiàn)圖3)，在主程序中，首先完成系統(tǒng)初始化和功能模塊的初始化；再對(duì)通用定時(shí)器1進(jìn)行初始化；然后等到中斷程序執(zhí)行時(shí)，完成查正弦表的任務(wù)，將查得的調(diào)制值賦給中間量，再把中間變量里的調(diào)制值賦給比較寄存器CMPRx.根據(jù)二極管鉗位式三電平逆變器每相各個(gè)開(kāi)關(guān)管所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，以及TMS320LF2407A比較單元和PWM電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)的特征，為了得到SPWM脈沖信號(hào)波形，將要賦給比較寄存器CMPRx的值列成表格，三相三電平逆變共需要12路SPWM信號(hào)，這12路信號(hào)實(shí)際上是6對(duì)互補(bǔ)的信號(hào)，由6個(gè)比較寄存器產(chǎn)生.單相的話(huà)只需2個(gè)比較寄存器產(chǎn)生2對(duì)互補(bǔ)的4路SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào).

3.2 中斷服務(wù)程序

本文中斷服務(wù)程序是通過(guò)軟件識(shí)別中斷標(biāo)志的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器1的周期中斷，完成將中間變量中的調(diào)制值賦給比較寄存器CMPRx的功能任務(wù).中斷服務(wù)程序的流程圖(見(jiàn)圖4)，中斷服務(wù)程序主要是先判斷是否是通用定時(shí)器1周期中斷，若是，則將中間變量中的調(diào)制值賦給比較寄存器CM-PRx，否則直接中斷返回.

圖4 中斷服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，搭建起二極管鉗位式三電平逆變系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建主要包括隔離驅(qū)動(dòng)及主電路的部分、整流電源部分、變壓器和TMS320LF2407A目標(biāo)板仿真器部分.主電路輸入直流電壓30 V，輸出相電壓為交流15 V.選用型號(hào)為IRF630的MOSFET管，其額定耐壓為200 V，電流9 A，本設(shè)計(jì)中主電路+30 V電源由輸出電壓范圍為0～30 V，型號(hào)為YB1733A的直流穩(wěn)壓電源提供，其輸出電壓值能夠在額定輸出電壓值以下任意電壓值上設(shè)定和正常工作.

4.1 開(kāi)關(guān)角θ區(qū)間為2.3°時(shí)驅(qū)動(dòng)波形

對(duì)開(kāi)關(guān)角區(qū)間進(jìn)行細(xì)化，當(dāng)開(kāi)關(guān)角區(qū)間為2.3°時(shí)，A相各個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形(見(jiàn)圖5).為看清楚脈沖寬度變化的規(guī)律，圖5右邊圖中的波形為左邊圖中波形的局部放大.每一個(gè)大格代表2 V，這個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形是DSP輸出還沒(méi)有經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)放大的波形，所以高電平幅值為3.3 V，更新比較寄存器的值改變脈沖寬度，高低電平轉(zhuǎn)換瞬間，會(huì)出現(xiàn)一些尖峰電壓，但幅度不大，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求.

圖5 開(kāi)關(guān)角區(qū)間為2.3°時(shí)A相各開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

開(kāi)關(guān)角區(qū)間每一次細(xì)化后，要重新計(jì)算正弦函數(shù)表.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在每一個(gè)周期中，不論是正半周期還是負(fù)半周期，脈沖寬度的變化都是先增大后減小的，實(shí)現(xiàn)了SPWM的脈沖控制策略.

4.2 電壓輸出波形

DSP產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離和驅(qū)動(dòng)放大，再經(jīng)過(guò)柵極電阻后接到MOS管的柵極，輸出端接純電阻負(fù)載，當(dāng)R=1 kΩ時(shí)觀(guān)測(cè)相電壓的波形.通過(guò)軟件細(xì)化開(kāi)關(guān)角區(qū)間，當(dāng)開(kāi)關(guān)角區(qū)間為2.3°時(shí)，得到的輸出電壓波形(見(jiàn)圖6).

圖6 開(kāi)關(guān)角區(qū)間為2.3°時(shí)相電壓波形

從以上電壓輸出波形可以看出，在開(kāi)關(guān)動(dòng)作的過(guò)程中，即在電平轉(zhuǎn)換瞬間，雖然有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些尖峰電壓，但是并尖峰值并不是很大，電壓幅值很平穩(wěn)，基本能達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果.由此看來(lái)本實(shí)驗(yàn)的控制策略是成功的，通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成了預(yù)期的控制思路.

5 結(jié) 論

本文在介紹三電平逆變器工作原理基礎(chǔ)上,提出了一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)化分析方法,對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行函數(shù)化處理，建立起開(kāi)關(guān)狀態(tài)與開(kāi)關(guān)角θ之間的函數(shù)關(guān)系，只需改變開(kāi)關(guān)角θ的區(qū)間，就能方便地控制三電平逆變器各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)三電平逆變.建立了以DSP為核心的三電平逆變器控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件作分做詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性，可為多電平逆變器研究提供借鑒.

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