兩種優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式在高頻SVPWM逆變電源中的應(yīng)用

(a) 模式1

(b) 模式2

圖3 兩種對(duì)稱(chēng)的優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式

(a) 模式1

(b) 模式2

圖4 兩種不對(duì)稱(chēng)的優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式

2 高頻SVPWM逆變器的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高頻逆變電源要求控制器能夠在最短的時(shí)間內(nèi)，完成全部控制運(yùn)算。對(duì)各種單片機(jī)和DSP的性能進(jìn)行比較篩選后，本文設(shè)計(jì)的逆變器數(shù)控系統(tǒng)采用TI公司DSP24x系列的最新成員TMS320LF2407A。該芯片具有同類(lèi)DSP中最優(yōu)越的一些性能，只需一片TMS320LF2407A即可實(shí)現(xiàn)高頻SVPWM逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在TMS320LF2407A時(shí)鐘輸入引腳上接20MHz晶振，后經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后得40MHz時(shí)鐘頻率，這樣指令執(zhí)行周期可縮為25ns，較C240DSP速度整整提高了1倍。另外，TMS320LF2407A還具有外部集成度更高，程序存儲(chǔ)器更大，A/D轉(zhuǎn)換速度更快的特點(diǎn)，且其獨(dú)特的空間矢量PWM波形產(chǎn)生電路，更為完成高頻SVPWM算法提供了方便，同時(shí)可使數(shù)字控制系統(tǒng)最小化。

對(duì)于輸出頻率為1000Hz的逆變器，開(kāi)關(guān)頻率至少要在20kHz以上，但是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高又會(huì)給DSP的運(yùn)算及A/D轉(zhuǎn)換帶來(lái)壓力。另外，死區(qū)時(shí)間在理想脈寬中所占的比例過(guò)大，對(duì)調(diào)制線性度也會(huì)造成不良影響，經(jīng)權(quán)衡，本系統(tǒng)控制周期取為23.8μs，這樣采用優(yōu)化模式1時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率為6的倍數(shù)42kHz，而采用優(yōu)化模式2，開(kāi)關(guān)頻率僅為28kHz。普通的IGBT已經(jīng)無(wú)法承受這么高的開(kāi)關(guān)頻率，所以，逆變器主電路采用分立MOSFET(IRFPC60)組成的三相橋式電路結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，和最大地簡(jiǎn)化電路，硬件設(shè)計(jì)中除了采用貼片式DSP外，還采用IR公司的高壓浮動(dòng)MOS柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2130。

圖5為逆變器系統(tǒng)示意圖。實(shí)際工作時(shí)，DSP在每個(gè)控制周期中經(jīng)A/D采樣頻率給定信號(hào)后，根據(jù)V/F控制原理和改進(jìn)的SVPWM算法，選擇優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式，來(lái)產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，經(jīng)高速光耦隔離后送IR2130驅(qū)動(dòng)6個(gè)MOS管來(lái)帶動(dòng)一個(gè)三相感性負(fù)載工作。

圖5 逆變器系統(tǒng)示意圖

IR2130為單電源＋15V工作；可直接驅(qū)動(dòng)600V高壓系統(tǒng)；自帶硬件死區(qū)和欠壓鎖定功能與過(guò)流保護(hù)功能；通過(guò)外圍自舉電路，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂的6個(gè)MOS管。注意到采用圖3所示優(yōu)化開(kāi)關(guān)模式2時(shí)，生成的PWM波中會(huì)出現(xiàn)一段長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通或關(guān)斷的脈沖信號(hào)，這就要求IR2130的自舉電容能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電荷，否則，將無(wú)法驅(qū)動(dòng)高端MOS管。自舉電容所需的最小電容值，可由式（5）計(jì)算。

C≥牛5）

式中：Q_g為高端器件柵極電荷；

f為工作頻率；

I_qbs(max)為高端驅(qū)動(dòng)電路最大靜態(tài)電流；

I_cbs(leak)為自舉電容漏電流；

Q_ls為每個(gè)周期內(nèi)，電平轉(zhuǎn)換電路中的電荷要求；

V_cc為芯片供電電壓；

V_f為自舉二極管正向壓降；

V_ls為低端器件壓降或高端負(fù)載壓降。

經(jīng)計(jì)算并取安全余量后，采用4.7μF的CBB電容作為自舉電容。

電路設(shè)計(jì)中考慮高頻逆變器的安全運(yùn)行，還通過(guò)DSP的信號(hào)采集，進(jìn)行過(guò)、欠壓，過(guò)流，過(guò)溫等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

硬件系統(tǒng)采用TOPSwitch反激式電源，分別為控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路提供＋5V，±15V等5路相互隔離的輔助電源。