摘要：研究了電壓型高頻鏈逆變器的拓撲及控制方式。選用了全橋全波式高頻鏈逆變器作為主電路，采用雙極性雙調制波控制方案解決雙向電壓型高頻鏈逆變器的固有電壓過沖問題。理論分析了電路拓撲和控制策略的合理性和變換器開關器件實現(xiàn)軟開關的可行性。設計了基于雙極性雙調制波控制的軟件程序及數(shù)字PI控制器算法的TMS320F2812的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗結果表明，高頻逆變橋開關管實現(xiàn)了ZVS開通，周波變換器開關管實現(xiàn)了ZCS關斷，高頻鏈逆變器輸出高質量的正弦波電壓，證明了基于DSP控制的雙極性雙調制波控制模式的高頻鏈逆變器可行性。
關鍵詞：逆變器；高頻鏈；雙極性雙調制；軟開關
1 引言
DC／AC逆變電源應用廣泛，傳統(tǒng)的低頻逆變技術采用工頻變壓器，其缺點明顯。所謂高頻鏈逆變技術就是采用高頻變壓器替代低頻變壓器傳輸能量，并實現(xiàn)變流裝置初、次級電源之間的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量，克服了低頻逆變技術的缺點，顯著提高了逆變器的特性。
雙向電壓型高頻鏈逆變器存在一個固有的缺陷，即采用傳統(tǒng)PWM技術的周波變換器換流時漏感能量會引起電壓過沖。在不增加拓撲復雜性
的情況下，采用合理的調制方法可解決這一問題。雙極性雙調制波方法是一種有效的方案，在不加箝位或吸收電路時，該方法可以實現(xiàn)高頻逆變橋開關管的ZVS開通和周波變換器開關管的ZCS關斷；濾波電感電流極性選擇信號的引入，避免了換流重疊期間周波變換器中的環(huán)流現(xiàn)象。此外，該控制方法易于用數(shù)字控制實現(xiàn)。這里在全橋全波式高頻鏈逆變器拓撲的基礎上，實現(xiàn)了基于DSP TMS320F2812的雙極性雙調制波控制策略。
2 主電路與工作原理
全橋全波式高頻鏈逆變器的基本結構如圖1所示，主要由高頻逆變橋、高頻變壓器、周波變換器和輸出濾波器組成。其中VS1～VS4為高頻逆變橋的開關管，VS5～VS8為周波變換器的開關管，T為高頻變壓器，Lf，Cf組成濾波器，Ui為輸入直流電壓，uo為輸出電壓。該拓撲具有變換效率高、可靠性高、雙向功率流和兩級功率變換等特點。
雙極性雙調制波控制的原理圖如圖2所示。它將三角波作為載波，調節(jié)器的輸出與其相反值作為調制波，對電路中的開關管進行控制。高頻逆變橋可看作單相方波逆變器，若不考慮死區(qū)時間，則逆變橋開關管驅動信號的占空比恒為0．5。周波變換器采用移相控制，驅動信號由調制波及其相反值分別與三角載波交截得到，移相角隨正弦規(guī)律略有變化。為保證周波變換器開關管換流時濾波電感電流連續(xù)，VS5和VS7，VS6和VS8的驅動信號間應有共態(tài)導通時間。另外，周波變換器開關管流過的電流為濾波電感電流，為防止周波變換器開關管在換流時電路產(chǎn)生環(huán)流，應檢測濾波電感電流的極性來控制周波變換器中各開關管的通斷。
由圖2可知，采用雙極性雙調制波策略時，高頻逆變橋可以視為方波逆變器。在周波變換器中，忽略濾波電感電流極性選擇，當Uo>0時，VS5，VS7為超前臂，VS8，VS6為滯后臂；當uo<0時，VS5，VS7為滯后臂，VS8，VS6為超前臂。當不考慮高頻逆變橋死區(qū)以及周波變換器換流重疊區(qū)時，所有開關管驅動信號的占空比為0．5。
在該控制方法中，高頻變壓器傳遞的是占空比恒為0．5的交流方波，高頻交流方波再經(jīng)過周波變換器進行低頻解調，輸出雙極性SPWM波，經(jīng)低通濾波后，輸出正弦波。該控制方法解決了電壓型高頻鏈逆變器換流時固有的電壓過沖問題，控制信號易于用數(shù)字控制實現(xiàn)。
3 控制信號的實現(xiàn)原理與DSP系統(tǒng)
傳統(tǒng)的移相技術的驅動信號實現(xiàn)較為簡單，用常用的集成PWM控制器即可實現(xiàn)，如IC芯片UC3875等。周波變換器開關管驅動信號的占空比并非完全恒定，相位差隨正弦規(guī)律變化，用IC實現(xiàn)較復雜。而利用DSP生成脈沖，只需編程，使用事件管理器就能產(chǎn)生高頻鏈逆變器所有開關管的驅動信號，并且精度高，穩(wěn)定性好。
此處利用TMS320F2812芯片的事件管理器來產(chǎn)生高頻鏈逆變器所有的脈沖。產(chǎn)生開關管的控制信號的原理如圖3所示。
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定時器GP工作在連續(xù)增減計數(shù)模式，即從零開始遞增計數(shù)至設定值，然后又遞減計數(shù)至零，如此循環(huán)，計數(shù)周期為開關管的一個開關周期。
高頻逆變橋各開關管的驅動信號為ugVS1，VS4，ugVS2，VS3，其產(chǎn)生過程較為簡單。如圖3所示，當定時器工作在增計數(shù)模式時，UgVS 1，VS4為高電平，ugVS2，VS3為低電平，而當定時器工作在減計數(shù)模式時，ugVS1，VS4為低電平，ugVS2，VS3為高電平。無論輸出電壓為何值，均在定時器計數(shù)至周期值或零時發(fā)生跳變，即計數(shù)值與比較寄存器值在H，H’點匹配。
周波變換器的控制信號為ugVS5，ugVS6，ugVS7，ugVS8，在圖3a中，當定時器工作在增計數(shù)狀態(tài)時，計數(shù)值與比較寄存器值在I點及J點發(fā)生比較匹配，ugVS5，ugVS8為高電平；當定時器工作在減計數(shù)狀態(tài)時，計數(shù)值與比較寄存器值在I’點及J’點發(fā)生比較匹配，ugVS5，ugVS8跳變?yōu)榈碗娖?。ugVS6，ugVS7分別與ugVS5，ugVS8互補，則可以產(chǎn)生4路移相PWM控制信號，移相角隨正弦規(guī)律略有變化。
圖3b與圖3a原理類似，只是ugVS5，ugVS7從超前臂變?yōu)闇蟊?，VS8，VS6從滯后臂變?yōu)槌氨?。載波比較示意圖如圖3c所示，其中ur為調制波，um為其反值，uc為雙極性的三角載波，Tc為載波周期，A為正弦調制波幅值，B為三角載波幅值。
DSP的定時器工作在連續(xù)增減計數(shù)模式，設當定時器工作在增計數(shù)模式時三角波的斜率為k1，由圖3c及兩點直線方程可知：
設正弦調制波ur的函數(shù)為yr=sinωt，um的函數(shù)為ym=-sinωt。將t1，t2及在該時刻的函數(shù)值代入式(1)得到：
當開關頻率很高時，可認為sinωt1≈sinωt2≈sin(ωTc／4)，則得到周波變換器開關管第1個高頻脈沖寬度為：
式中：T／4=(t1+t2)／2；M為調制比，M=A／B。
當DSP的定時器工作在減計數(shù)模式時，設三角波的斜率為k2，同理得到：
當開關頻率很高時，可認為sinωt3≈sinωt4≈sin(3ωTc／4)，則得到周波變換器開關管第2個高頻脈沖寬度為：
當載波比為偶數(shù)時，設載波比為2N，則周波變換器開關管的第n個高頻脈沖的寬度為：
根據(jù)以上對全橋移相PWM的原理分析，可以設計其實現(xiàn)的軟件和控制系統(tǒng)。
基于DSP的雙極性雙調制波高頻鏈逆變器的系統(tǒng)如圖4所示。DSP芯片為TMS320F2812。系統(tǒng)實現(xiàn)了雙極性雙調制波控制算法的程序，生成脈沖觸發(fā)信號，建立了正弦數(shù)據(jù)表，采用增量式PI算法完成了閉環(huán)控制算法。
4 仿真與實驗結果
基于上述理論分析和系統(tǒng)設計，通過仿真和實驗對方案進行了驗證。仿真參數(shù)：輸入直流電壓30 V，高頻變壓器變比38：34：34，輸出濾波電感1 mH，濾波電容4．4μF，開關頻率40 kHz，電阻負載，輸出電壓為400 Hz。LC濾波器前端的電壓為雙極性SPWM波，經(jīng)濾波后輸出正弦波。在單閉環(huán)控制下，高頻鏈逆變器分別帶阻容、阻感負載、突加電阻負載及帶整流性負載時的輸出電壓uo、電流io波形如圖5所示。系統(tǒng)空載時，uo的峰值處稍有畸變；帶整流性負載時uo在第1個周期沒有達到穩(wěn)定，且波形的正弦度略差。但系統(tǒng)帶電阻、阻容、阻感負載時，uo波動小，波形正弦度較高，總而言之，該高頻鏈逆變器具有良好的帶載能力。
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通過實驗對該控制方案進行了驗證，實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致，實驗結果如圖6所示。高頻鏈逆變器的uo，io波形如圖6a所示。由圖可知，uFE經(jīng)濾波后，輸出400 Hz／46 V的正弦電壓，且uo的正弦度較好。圖6b為系統(tǒng)在電壓瞬時值閉環(huán)控制下高頻鏈逆變器的動態(tài)特性。由圖可知，在負載突變瞬間，逆變器輸出電壓uo，電流io波形存在畸變，uo需經(jīng)過約一個周期才能達到穩(wěn)定值，但總而言之系統(tǒng)的帶載特性及動態(tài)性能良好。
通過觀察各開關管的工作狀態(tài)得出結論，在采用雙極性雙調制波控制方式時，無論濾波電感電流的極性如何，高頻逆變橋的所有開關管均實現(xiàn)了ZVS開通；周波變換器開關管為ZCS關斷，實現(xiàn)了自然換流；每個開關周期內，有兩次交流側能量回饋直流側的過程，高頻鏈逆變器濾波前輸出雙極性SPWM波，濾波后輸出400 Hz的正弦波；并且系統(tǒng)在閉環(huán)控制下，有良好的穩(wěn)、動態(tài)特性。故基于DSP控制的雙極性雙調制波模式高頻鏈逆變器是正確可行的。
5 結論
針對全橋全波式高頻鏈逆變器拓撲，采用雙極性雙調制波控制策略，利用TMS320F2812型DSP芯片產(chǎn)生數(shù)字化控制信號，實現(xiàn)過程簡單靈活。實驗結果表明：系統(tǒng)帶載能力和動態(tài)特性良好，高頻鏈逆變器輸出很好的正弦波電壓。逆變器的開關管實現(xiàn)了零電壓開通，周波變換器的開關管實現(xiàn)了零電流關斷，故實驗結果證明該控制方案是可行的。
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