DSP控制SPWM全橋逆變器直流偏磁的研究

摘要：提出了一種基于DSP的消除SPWM全橋逆變器直流偏磁問題的控制方案，采用TI公司的DSP芯片TMS320F240來實(shí)現(xiàn)。在一臺(tái)400Hz6kW樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能較好地解決全橋逆變器中的直流偏磁問題。關(guān)鍵詞：全橋逆變器；直流偏磁；正弦波脈寬調(diào)制

1引言

近年來，SPWM逆變器已經(jīng)在許多交流電能調(diào)節(jié)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，相對(duì)于半橋而言，全橋逆變器的開關(guān)電流減小了一半，因而更適合于大功率場合。在SPWM全橋逆變器中，為實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離和得到合適的輸出電壓幅值，一般在輸出端接有基頻交流變壓器。而在輸出變壓器中，由于各種原因引起的直流偏磁問題致使鐵心飽和，從而加大了變壓器的損耗，降低了效率，甚至?xí)鹉孀兤黝嵏?，?yán)重影響了SPWM全橋逆變器的正常運(yùn)行，必須采取措施加以解決。

隨著高頻開關(guān)器件的發(fā)展，模擬瞬時(shí)值反饋控制使SPWM逆變器獲得了優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較小的諧波畸變率。但模擬控制存在著分散性大、溫度漂移及器件老化等不利因素，因而給設(shè)備調(diào)試及維護(hù)造成許多困難。數(shù)字控制克服了模擬控制的上述缺點(diǎn)，并具有硬件簡單、調(diào)試方便、可靠性高的優(yōu)勢，因而引起了高度的重視。 本文在對(duì)SPWM全橋逆變器中輸出變壓器直流偏磁機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)字PI控制方案，通過采樣輸出變壓器原方電流來調(diào)整觸發(fā)脈沖寬度。該方案利用DSP芯片TMS320F240在一臺(tái)全數(shù)字化6kW、400Hz中頻逆變電源上得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方案較好地抑制了輸出變壓器的直流偏磁。

2直流偏磁

DSP控制的SPWM全橋逆變器如圖1所示。直流偏磁是指由于輸出變壓器原邊電壓正負(fù)波形不對(duì)稱，引起變壓器鐵心工作磁滯回線中心點(diǎn)偏離零點(diǎn)，從而造成磁工作狀態(tài)不對(duì)稱的現(xiàn)象。變壓器工作時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率為B=dt（1）

勵(lì)磁電流Iμ的變化率為Iμ=dt（2）

圖1DSP控制的SPWM全橋逆變器

圖2無直流偏磁時(shí)波形圖

（a）SPWM波形（b）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

（a）SPWM波形（b）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

圖3有正直流偏磁時(shí)波形圖

式中：U1——變壓器原邊電壓；

N1——變壓器原邊繞組匝數(shù)；

Ae——變壓器鐵心截面積；

Lo——變壓器鐵心磁路長度；

μ0——空氣磁導(dǎo)率；

μr——變壓器鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率。

如圖2所示，在SPWM全橋逆變器中，若輸出變壓器原邊電壓正負(fù)半周波形對(duì)稱，正負(fù)半波伏秒積相等，鐵心磁工作點(diǎn)將以原點(diǎn)為中心沿著磁滯回線對(duì)稱地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。反之，若輸出變壓器原邊電壓正負(fù)波形不對(duì)稱，正負(fù)半波伏秒積不等，則使正負(fù)半波磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值不同，磁工作區(qū)域?qū)⑵虻谝换虻谌笙?，即形成直流偏磁如圖3所示。

造成原邊電壓正負(fù)波形不對(duì)稱的原因，主要有以下幾個(gè)方面：

1）由于主電路中功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)飽和壓降不同，使得加在變壓器原邊的電壓正負(fù)波形幅值不等；

2）由于控制系統(tǒng)中正弦調(diào)制波或三角載波存在直流分量；或是由于四路脈沖分配及死區(qū)形成電路不對(duì)稱；或是由于采用波形校正技術(shù)來對(duì)脈寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；或是由于主電路中功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間不一致；使得加在變壓器原邊的電壓正負(fù)波形脈寬不等； 3）由于SPWM逆變器在短路保護(hù)或關(guān)機(jī)時(shí)采用驅(qū)動(dòng)脈沖瞬時(shí)封鎖法，工作周期不完整，導(dǎo)致變壓器鐵心的剩磁過高，使得變壓器鐵心的磁工作區(qū)域偏離零點(diǎn)。

由上述分析可知，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁。如前所述，直流偏磁會(huì)導(dǎo)致鐵心飽和，不僅加大了變壓器的損耗，降低了效率，增大了噪聲；而且使兩路功率開關(guān)管中的電流不平衡，降低了管子的有效利用率。如果偏磁繼續(xù)積累，鐵心進(jìn)入深度飽和，磁工作點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū)，變壓器鐵心相對(duì)導(dǎo)磁率μr將迅速減小。由式(2)可見，這將導(dǎo)致勵(lì)磁電流Iμ迅速增大，甚至?xí)鹉孀冾嵏玻构β书_關(guān)管因過流而損壞，嚴(yán)重影響了SPWM全橋逆變器的正常運(yùn)行，因此必須采取措施加以解決。