單極性SPWM的兩種控制方法與過零點輸出特性比較

摘要：對于采用SPWM的逆變器，其中單極性逆變方式僅用到一對高頻開關(guān)，相對于雙極性逆變具有損耗低、電磁干擾少等優(yōu)點。分別介紹了單極性逆變中的單邊與雙邊SPWM的產(chǎn)生方法以及各自的控制方法，分析了這兩種控制方法在正弦波電壓過零點附近的振蕩情況，經(jīng)過仿真與電路試驗證明了雙邊SPWM方式性能更為優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：單極性；正弦波脈寬調(diào)制；過零點振蕩

0    引言

    隨著控制技術(shù)的發(fā)展和對設(shè)備性能要求的不斷提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備不再直接接入交流電網(wǎng)，而是通過電力電子功率變換得到電能，它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化形式因用電設(shè)備的不同而不盡相同。如通信電源、電弧焊電源、電動機(jī)變頻調(diào)速器、加熱電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過對電網(wǎng)電能進(jìn)行整流和逆變變換后得到的。因此，高質(zhì)量的逆變電源已經(jīng)成為電源技術(shù)的重要研究對象。

1    工作原理

1.1    主電路拓?fù)渑cSPWM的產(chǎn)生

    單極性SPWM逆變電路的拓?fù)淙鐖D1所示，由全橋4個開關(guān)管組成的2路橋臂所構(gòu)成，一路以高頻開關(guān)工作頻率工作，稱為高頻臂（S₃，S₄）；另一路以輸出的正弦波頻率進(jìn)行切換，成為低頻臂（S₁，S₂）。

圖1    逆變電路主電路結(jié)構(gòu)

    單極性逆變有兩種產(chǎn)生SPWM的方法。第一種控制方法是將給定的載波（正弦波）整流成正的，調(diào)制波（三角波）也是正的，如圖2（a）所示，稱為單邊SPWM控制；第二種控制方法是給定的載波（正弦波）是一個完整的正弦波，調(diào)制波（三角波）當(dāng)正弦波為正時是正的，當(dāng)正弦波為負(fù)時是負(fù)的，如圖2（b）所示，稱為雙邊SPWM控制。

(a)    載波與調(diào)制波均為正

(b)調(diào)制波極性隨載波改變

圖2    兩種SPWM產(chǎn)生原理比較

    上述兩種控制方法產(chǎn)生SPWM的機(jī)理不一樣，各自的控制電路也有所不同。

1.2    單極性SPWM的兩種控制方法

1.2.1    單邊SPWM控制

    單邊SPWM的控制電路如圖3所示。圖3中的S_g3及S_g4分別對應(yīng)高頻臂上下管的驅(qū)動信號；S_g1及S_g2分別對應(yīng)低頻臂上下管的驅(qū)動信號。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質(zhì)隨之改變。例如，原來過零時S_g1的窄脈沖對應(yīng)輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。因此，PWM有一突變過程。

圖3    單邊SPWM控制電路

    圖4所示的是單邊SPWM控制方法在過零點時的示意圖。圖4中E₁為理論上跟基準(zhǔn)（電壓波形）同相位的誤差信號，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和輕重，實際的輸出誤差信號E₂與基準(zhǔn)信號有一個相位差。圖中SPWM₁是理論上的高頻臂上管的驅(qū)動信號，SPWM₂則是實際的高頻臂上管的驅(qū)動信號。

圖4    單邊SPWM控制在過零點附近的SPWM示意圖

    1）t₀～t₁時刻    由圖4可以看到，在t₀～t₁時刻，由于給定的低頻臂信號是1，對應(yīng)圖3可以知道主電路低頻臂下管導(dǎo)通，圖4中SPWM對應(yīng)的是高頻臂上管的驅(qū)動信號，上管的SPWM驅(qū)動信號逐漸變小。由圖1可以知道在t₀～t₁時刻，輸出正弦波信號由正逐漸變?yōu)?。

    2）t₁時刻    在t₁時刻，低頻臂信號由1變?yōu)?，所以，低頻臂由下管導(dǎo)通變?yōu)樯瞎軐?dǎo)通，由圖3可以分析出，在低頻臂切換的同時，產(chǎn)生SPWM的比較器也進(jìn)行了切換，所以，由E₁誤差信號產(chǎn)生的SPWM（高頻臂上管）在t₁時刻馬上變?yōu)榻咏?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅(qū)動互補(bǔ)于高頻臂上管的驅(qū)動，所以高頻臂下管的驅(qū)動由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號由0逐漸變負(fù)。

    3）t₁～t₂時刻    實際的輸出誤差信號E₂會與E₁相差一個相位，所以，產(chǎn)生的SPWM₂與SPWM₁是不同的。由圖4可以看出：t₁時刻以后，SPWM₂馬上就為0，由于高頻臂下管信號互補(bǔ)于SPWM₂，對應(yīng)于主電路，在t₁時刻高頻臂下管馬上以一個比較大的占空比導(dǎo)通，然后占空比慢慢變?。▓D中SPWM₂逐漸變大），高頻臂下管信號并不是由0逐漸變大，SPWM的突變必然會引起輸出正弦波信號在過零點的振蕩?？晒┻x擇的解決方案如下：

    （1）在低頻臂切換的同時，把輸出誤差信號人為地放電，使其為0，這樣就可以減弱在過零點時刻所引起的振蕩；

    （2）人為地把低頻臂信號超前或滯后一定相位，但是，這一方案由于低頻臂信號的相位受負(fù)載輕重的影響，實際上難以做到準(zhǔn)確。

1.2.2    雙邊SPWM控制

    雙邊SPWM的控制電路如圖5所示。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質(zhì)隨之改變。例如，過零前S_g1的窄脈沖對應(yīng)為輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。然而與單邊SPWM控制所不同的是，雙邊SPWM中的反相動作是與低頻臂同時進(jìn)行的。由于控制器中的輸出沒有突變，低頻臂的切換也不會造成輸出的突變。

圖 5    雙 邊 SPWM控 制 電 路

    圖6所示的是雙邊SPWM控制方法在過零點附近的SPWM示意圖。圖6中E₁為理論上跟基準(zhǔn)（電壓波形）同相位的誤差信號，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，實際的誤差信號E₂會與基準(zhǔn)信號相差一個相位。圖中SPWM₁是理論上的高頻臂上管的驅(qū)動信號，SPWM₂則是實際的高頻臂上管的驅(qū)動信號。

圖6    雙邊SPWM控制在過零點附近的SPWM示意圖

    1）t₀～t₁時刻    由圖6可以看到，在t₀～t₁時刻，由于給定的低頻臂信號是1，對應(yīng)圖5可以知道主電路低頻臂下管導(dǎo)通，圖6中SPWM對應(yīng)的高頻臂上管的驅(qū)動信號，由圖1可以知道在t₀～t₁時刻，輸出正弦波信號由正逐漸變?yōu)?。

    2）t₁時刻    在t₁時刻，低頻臂信號由1變?yōu)?，所以低頻臂由下管導(dǎo)通變?yōu)樯瞎軐?dǎo)通，由圖5可以分析出，在低頻臂切換的同時，產(chǎn)生SPWM的比較器也進(jìn)行了切換，所以，由E₁誤差信號產(chǎn)生的SPWM（高頻臂上管）在t₁時刻馬上變?yōu)?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅(qū)動互補(bǔ)于高頻臂上管的驅(qū)動，所以，高頻臂下管的驅(qū)動由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號由0逐漸變負(fù)。

    3）t₁～t₂時刻    實際的輸出誤差信號E₂會與E₁相差一個相位，所以，產(chǎn)生的SPWM₂與SPWM₁是不同的，由圖6可以看出，在t₁到t₂時刻，高頻臂上管驅(qū)動一直都是高電平，由于高頻臂下管互補(bǔ)于上管驅(qū)動，所以，在t₁到t₂時刻，高頻臂下管是不導(dǎo)通的，此后有一軟開通過程。由圖6中SPWM₁與SPWM₂的比較可以看出，誤差信號滯后于基準(zhǔn)信號有利于抑制正弦波輸出信號在過零點的振蕩。

2    計算機(jī)仿真與實驗結(jié)果

    應(yīng)用電子電路計算機(jī)輔助分析于設(shè)計軟件Matlab，分別對上述兩種控制方法進(jìn)行了仿真。

    仿真條件:輸出220V，f=25Hz

2.1    單邊SPWM控制的仿真波形

    單邊SPWM控制的仿真波形如圖7所示。從圖7可以明顯地看到，正弦波在過零點的時候有明顯的振蕩，跟理論分析完全吻合。

圖7    單邊SPWM控制方法仿真波形 

2.2    雙邊控制方法之仿真波形

    雙邊SPWM控制的仿真波形如圖8所示。從圖8可以明顯地看到，正弦波在過零點的時候沒有振蕩，跟理論分析完全吻合。

圖8    雙邊SPWM控制方法仿真波形

3    實驗結(jié)果與討論

3.1    單邊SPWM控制方法之實驗波形

    實驗波形如圖9，圖10所示。

圖9    單邊SPWM控制方法之實驗波形(閉環(huán)前)

圖10    單邊SPWM控制方法之實驗波形(閉環(huán)后)

3.2    雙邊SPWM控制方法之實驗波形

    實驗波形如圖11所示。

圖11    雙邊SPWM控制方法之實驗波形

3.3    討論

    由仿真波形和實驗波形可以看到，單邊SPWM控制方法在過零點有很大的振蕩，并且由實驗可以得知，單邊SPWM控制方法在沒有閉環(huán)前振蕩得十分厲害，而且電感有很大的噪音，單邊SPWM控制方法在閉環(huán)以后也有振蕩，電感依然有噪音。

    雙邊SPWM控制方法有很好的抑制過零點振蕩的作用，實驗時，雙邊SPMW控制方法在閉環(huán)前和閉環(huán)后過零點都沒有振蕩，電感的噪音也很小。

4    結(jié)語

    就單極性逆變，本文分別對其中的單邊與雙邊SPWM的產(chǎn)生方法及控制方法以及其在正弦波電壓過零點附近的振蕩情況進(jìn)行了分析。理論分析表明，并通過仿真與電路試驗證明，雙邊SPWM中的控制器輸出，因沒有在過零點附近發(fā)生大的突變，其性能更為優(yōu)越。