基于DSP28032的三電平逆變器研究

作者 王博 崔晶 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院(陜西 西安 710014)

　　*基金項(xiàng)目：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年度立項(xiàng)課題(編號(hào)：XTZY17G06)

　　王博(1983-)，男，碩士，講師，研究方向：逆變技術(shù)。

摘要：為實(shí)現(xiàn)直流到交流變換的逆變器系統(tǒng)，在以DSP28032為核心控制器的基礎(chǔ)上提出了“I”型三電平逆變器的系統(tǒng)方案。與兩電平逆變器對(duì)比，綜合分析了三電平逆變器拓?fù)涞奶匦耘c優(yōu)勢(shì)，結(jié)合DSP控制器硬件資源及逆變器具體需求，給出了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及其工作原理、濾波器設(shè)計(jì)方法及詳細(xì)參數(shù)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、必要的數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路、關(guān)鍵模擬量采集電路、控制系統(tǒng)等方面的具體實(shí)現(xiàn)方法，并最終在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了逆變器系統(tǒng)及獨(dú)立功能電路的可行性。

0 引言

　　逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的變換裝置。逆變器廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)能等新能源發(fā)電行業(yè)。對(duì)于交流電機(jī)類負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，諸如軌道交通變流器、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器中也有應(yīng)用。另外，隨著電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，由此構(gòu)成的微型供電系統(tǒng)對(duì)于逆變器的需求越來越大。

　　本文以DSP28032為核心控制器，主要針對(duì)三電平逆變器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、LC低通濾波器、IGBT驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分給出設(shè)計(jì)方案，最終通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 逆變器拓?fù)溥x型設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的兩電平逆變器按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可分為半橋式和全橋式。半橋式與全橋式的兩電平逆變器在20世紀(jì)80年代前占據(jù)主導(dǎo)地位。1981年，日本學(xué)者首次提出三電平中點(diǎn)箝位PWM逆變器，即“I”型逆變器，并給出其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。此后，相關(guān)學(xué)者對(duì)多電平逆變器進(jìn)行了大量研究，提出了許多新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，包括另一三電平的典型代表拓?fù)洹癟”型三電平拓?fù)?，如圖2所示。

　　三電平逆變器相對(duì)于兩電平逆變器而言，雖然從電路結(jié)構(gòu)上看要復(fù)雜些，但三電平拓?fù)溆捎谄浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，成為逆變器中應(yīng)用最廣泛的一種。首先，在同等條件下，兩電平逆變器對(duì)于開關(guān)管的要求，比三電平拓?fù)鋵?duì)于開關(guān)管的電壓規(guī)格要求高一倍。例如，如果直流側(cè)為單邊400 V雙邊母線800 V，兩電平開關(guān)管的電壓規(guī)格要選擇1200 V規(guī)格的開關(guān)管，而“I”型三電平可選擇600 V的開關(guān)管，“T”型三電平選擇兩個(gè)1200 V，兩個(gè)600 V的開關(guān)管，從開關(guān)器件成本上對(duì)比，三電平有明顯的優(yōu)勢(shì)。其次，三電平拓?fù)潆S工作狀態(tài)變化，交流輸出點(diǎn)在電路工作時(shí)有三個(gè)電平，而兩電平只有兩個(gè)電平，由此，交流輸出開關(guān)次的諧波較低;另外，三電平逆變器輸出諧波小，因此，對(duì)于交流低通濾波器的要求較小，成本及體積也有較大優(yōu)勢(shì)，效率也有相應(yīng)提升，對(duì)于逆變器產(chǎn)品的功率密度提升有實(shí)質(zhì)性意義。因此，研究此類三電平逆變電路具有較高的實(shí)用價(jià)值。

　　“T”型拓?fù)渑c“I”型拓?fù)湓趯?shí)際應(yīng)用中，按照逆變器系統(tǒng)的具體功率、開關(guān)頻率、成本等因素也有一定差異。有關(guān)文獻(xiàn)表明，“I”型拓?fù)溥m用開關(guān)頻率為16 kHz以上的中小功率場合，“T”型拓?fù)湓?6 kHz以下的中大功率產(chǎn)品中有顯著的性能與成本優(yōu)勢(shì)。本文逆變器系統(tǒng)需求功率為1 kW，功率較小，開關(guān)頻率按照開關(guān)管的特性選取24 kHz，基于上述兩種拓?fù)湓趹?yīng)用中的差異性，選取“I”型拓?fù)渥鳛槟孀兤飨到y(tǒng)主電路。

2 “I”型三電平主電路設(shè)計(jì)

　　2.1 “I”型三電平主電路工作時(shí)序

　　“I”型三電平電路直流側(cè)經(jīng)過直流電容接入，在“I”型的橋臂中點(diǎn)處連接交流輸出的低通濾波器，濾波器形式可為LC或LCL。在開關(guān)管交替開通、關(guān)斷時(shí)，橋臂中點(diǎn)電壓有三種變化形式：+BUS、N及-BUS，這三種電平經(jīng)過低通濾波器濾波處理后變?yōu)楣ゎl的電壓波形。

　　為了將橋臂中點(diǎn)三種脈動(dòng)的交流電平變?yōu)橐?guī)則的正弦波，三電平拓?fù)渲虚_關(guān)管的發(fā)波需要進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯控制。一般地，在逆變器輸出的正半周內(nèi)，Q1高頻開關(guān)動(dòng)作，其占空比呈正弦包絡(luò)，Q2為工頻變化的開關(guān)管，在正半周處于常通的狀態(tài)。同時(shí)，在輸出正半周內(nèi)，Q3的開關(guān)動(dòng)作邏輯與Q1呈互補(bǔ)狀態(tài)，Q4呈關(guān)斷狀態(tài)。而在輸出負(fù)半周，四個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)與正半周對(duì)調(diào)，即Q4呈高頻開關(guān)動(dòng)作，占空比呈正弦包絡(luò)，Q3負(fù)半周中常通，Q2與Q4邏輯互補(bǔ)，Q1呈關(guān)斷狀態(tài)。詳細(xì)邏輯關(guān)系如圖3所示。

　　2.2 LC低通濾波器設(shè)計(jì)

　　逆變器的LC低通濾波器的主要功能是有效的將逆變器橋臂中的高頻開關(guān)次諧波濾除，并且對(duì)于交流輸出的工頻成分不會(huì)有衰減，達(dá)到以上兩個(gè)濾波效果的濾波器是較為理想的濾波器?；谙戕r(nóng)采樣定理，結(jié)合逆變器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，低通濾波器的截止頻率fc一般需要滿足：

(1)

　　其中fo為交流輸出頻率，一般為工頻，fs為逆變器開關(guān)頻率。

　　為實(shí)現(xiàn)逆變器輸出標(biāo)準(zhǔn)的工頻正弦波電壓，盡量減少其中的高次諧波含量，LC低通濾波器的截止頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于逆變器橋臂的工作頻率，一般要低于1/10的開關(guān)頻率，即：

(2)

　　同時(shí)，LC低通濾波器又要盡可能減少對(duì)工頻輸出造成太大的衰減，因此截止頻率又要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻頻率，工程設(shè)計(jì)一般要大于10倍的工頻頻率，即：

(3)

　　另外，為減小逆變器交流輸出電壓總諧波含量THDu，LC濾波器的濾波電容取值應(yīng)盡量大，但是較大濾波電容會(huì)造成系統(tǒng)無功功率的提高。因此，需要選擇合適的濾波電容與濾波電感搭配，工程設(shè)計(jì)中，由濾波電容產(chǎn)生的無功功率一般要小于額定功率的5%。由此，經(jīng)過計(jì)算濾波電容可選取4.7μF。

　　濾波電感的取值一般主要考慮電感電流紋波率。紋波率越大，峰值電流越大，一旦超過IGBT的不可重復(fù)峰值電流，就會(huì)對(duì)IGBT造成威脅。峰值電流過大，也會(huì)使電感磁損變大，溫升提高。工程設(shè)計(jì)中，濾波電感紋波電流率一般選取電感額定電流的30%。由此，經(jīng)過計(jì)算可選取電感為1.3 mH。

　　基于LC低通濾波器有關(guān)截止頻率的設(shè)計(jì)思路及濾波電容、濾波電感的設(shè)計(jì)方法，即可得到滿足逆變器系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)的LC低通濾波器。

3 逆變器控制電路設(shè)計(jì)

　　逆變器主電路結(jié)構(gòu)的選取，是綜合逆變器系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)需求，包括系統(tǒng)的交流輸出總諧波含量THDu、效率、整機(jī)熱處理方式及成本等。而決定逆變器系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的另一必要條件就是能否根據(jù)主電路設(shè)計(jì)匹配的控制電路，組建完整的控制系統(tǒng)，從而確保系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)一一兌現(xiàn)。為此，本文中逆變器控制系統(tǒng)主要解決在開關(guān)管隔離驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)調(diào)理電路等。

　　3.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

　　IGBT即絕緣柵雙極型晶體管是一種性能優(yōu)良的功率半導(dǎo)體器件，采用IGBT作為“I”型逆變器主電路的開關(guān)管，可滿足逆變器系統(tǒng)要求。IGBT優(yōu)良特性的發(fā)揮是建立在可靠、穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)控制之上，因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是關(guān)鍵所在。

　　有關(guān)文獻(xiàn)顯示，IGBT是一種電流型的開關(guān)器件，其結(jié)構(gòu)原理可等效為MOSFET和電力晶體管組合而成。柵極驅(qū)動(dòng)首要解決的是在IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)，能夠有足夠的功率對(duì)柵極電荷Qg做功。IGBT在關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流，使IGBT產(chǎn)生較大的損耗，為此，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中引入負(fù)向電壓快速將其關(guān)斷，避免電流拖尾發(fā)生，負(fù)向電壓一般在工程設(shè)計(jì)中選取﹣10 V左右。另外，為保證IGBT在導(dǎo)通時(shí)較低的通態(tài)壓降，根據(jù)其導(dǎo)通特性，需要提供較高的驅(qū)動(dòng)電壓，但不能超過其限值±20 V，工程設(shè)計(jì)中一般選取15 V較為適中，如圖4所示。除此之外，驅(qū)動(dòng)電路要實(shí)現(xiàn)信號(hào)電路與功率電路的隔離，需要用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離傳輸，用變壓器解決驅(qū)動(dòng)隔離電源。

　　3.2 關(guān)鍵信號(hào)調(diào)理電路

　　3.2.1 SPWM波電平轉(zhuǎn)換

　　DSP中用于控制開關(guān)管的SPWM波由EPWM模塊發(fā)出，其高電平為3.3 V的信號(hào)。而開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為高電平5 V的信號(hào)，因此，需要將3.3 V數(shù)字控制信號(hào)調(diào)理為5 V的數(shù)字信號(hào)。而且在調(diào)理的過程中，信號(hào)上升沿、下降沿延時(shí)要盡可能小。本文中采用TI公司集成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245實(shí)現(xiàn)。

　　SN74LVC4245的引腳DIR是方向控制端，當(dāng)引腳為低電平時(shí)：1)若DIR為低電平，則從B1~B8端輸入的數(shù)據(jù)可以傳到A1~A8;2)若DIR為高電平，則從A1~A8端輸入的數(shù)據(jù)可以傳到B1~B8。DSP發(fā)出的PWM信號(hào)為3.3 V，因此，選擇第一種，即將DIR置位為0。

　　3.2.2 輸出交流電壓采集

　　逆變器輸出交流電壓采樣采用較經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，如圖6所示，利用電阻R1、R2將逆變輸出高壓信號(hào)衰減，送入運(yùn)算放大器。運(yùn)放采用差分的方式，可有效抑制共模干擾。對(duì)衰減的交流信號(hào)在進(jìn)入DSP的A/D口前，要變?yōu)橹绷餍盘?hào)。為此，用3.3 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行偏置處理，變?yōu)镈SP可識(shí)別的反應(yīng)交流信號(hào)的直流量。

　　3.2.3 輸出交流電壓直流分量采集

　　由于逆變橋臂器件、控制電路等的差異，逆變器輸出的交流電壓均存在一定的直流偏置電壓，如果對(duì)該直流偏置電壓不做一定的控制，對(duì)于負(fù)載及逆變器系統(tǒng)本身都會(huì)有不良的影響。而且，這種不良的影響會(huì)隨著直流偏置電壓的增大而惡化。因此，需要從逆變器系統(tǒng)角度進(jìn)行必要的控制處理，確保直流偏置電壓在一定范圍內(nèi)(國內(nèi)對(duì)于該直流偏置電壓的標(biāo)準(zhǔn)要求為±100 mV)。

　　該直流偏置電壓的校正方法一般從控制中做必要的修正來抑制，因此，能夠準(zhǔn)確獲取直流偏置電壓是校正的前提。本文為解決該問題，對(duì)逆變交流電壓通過兩級(jí)的RC低通濾波處理有效提煉出直流分量，如圖6所示。同時(shí)，將該直流分量通過兩組完全一致的運(yùn)算放大器進(jìn)行共模處理，并放大該信號(hào)，這樣，可較為精準(zhǔn)獲取直流分量，最終送入DSP的A/D口采集。

　　3.2.4 電感電流采集

　　逆變器電感電流的采集選用閉環(huán)電流模式的霍爾傳感器，可提高電流采樣精度，盡可能減小采樣器件的延時(shí)，同時(shí)，霍爾器件可采集直流電流，對(duì)于交流電流的直流分量可精確獲得。如圖8所示，將霍爾傳感器原邊與電感串聯(lián)接入交流回路中，在副邊即可獲得Is、Is與Ip 的關(guān)系為Ip=nIs，其中n為霍爾器件的原副邊匝比。副邊電流Is流采樣電阻Rs將電流信號(hào)變?yōu)榕c之匹配的電壓信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器后送入DSP的A/D口。

4 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　逆變器控制系統(tǒng)以DSP28032為核心控制器實(shí)現(xiàn)逆變器雙閉環(huán)控制。整個(gè)逆變器系統(tǒng)以交流輸出電壓反饋為外環(huán)，以逆變器濾波電感電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)。其中電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度較高，可根據(jù)電感電流變化，逐周期實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器SPWM波的處理。電壓外環(huán)影響速度較低，不僅實(shí)現(xiàn)輸出電壓有效值的閉環(huán)控制，而且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正弦波，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的瞬時(shí)控制。同時(shí)，在系統(tǒng)控制中引入隨直流輸入電壓變化的前饋控制算法及直流偏置電壓修正控制等，實(shí)現(xiàn)逆變器相應(yīng)的性能指標(biāo)。除此之外，鑒于逆變器實(shí)際工況，在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)逆變器交流輸出過流、短路等功能。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　完成逆變器的主電路設(shè)計(jì)、LC濾波器設(shè)計(jì)、數(shù)字與模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作后，搭建相應(yīng)功能模塊，對(duì)逆變器系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)試其結(jié)果。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該逆變器系統(tǒng)對(duì)于逆變器產(chǎn)品的相關(guān)功能、性能需求均能實(shí)現(xiàn)并達(dá)標(biāo)，尤其在直流分量抑制、逆變器輸出短路等方面表現(xiàn)突出，如圖9所示為逆變器輸出電壓波形。由此可見，本文給出的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法可行。

6 結(jié)論

　　本文對(duì)三電平逆變器進(jìn)行了深入分析，結(jié)合逆變器產(chǎn)品需求，給出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。以“I”型三電平逆變器為研究對(duì)象，以DSP28032為核心控制器，組建逆變器系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中涉及的LC低通濾波器、數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路、模擬量采集電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、逆變器控制策略等方面給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。最后，通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了該方案有效、可行。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第50頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。