单相正弦逆变电源波形控制实现优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

分类号 ! 里2 2 1 ：三 udc 密级 编号 论文题目 lo12 6 3 0 9 5 6 0 4 8 研究生：马永斌 指导教师：王存副教授 专业：控制工程 研究方向：控制系统 学院：电子信息工程学院 2 0 1 1 年5 月1 5 日 原创性声i 刿 本人卢i ! j ：l ：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的矽f 究工作及取得的研究成 果。除木文已经注咧引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 ) i ：包禽为获得出鏊直太堂及其他教育机构的学位或证二 5 而使用过的材料。与我一同工作的同 志对木研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：曼丞垒氢指导教师签名：塾= z 盘 h 期：型! l ：皇：! 墨。日期：丝 ( ! ! z7 在学期问研究成果使用承诺二侈 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使刚学位论文的规定，即：内蒙古大学有权：i 锌 学位论文1 ) ，j 全部l 内容或部分保留并向匡i 家有关机构、部门送交学位论文的复日j 件剐磁盘，允 朗：编入有关数掘库进行检索，也可以采厂h 影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为，缫护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使 川涉及在学期问主要研究l 内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师川司意；若刚于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公歼发表。 学位沦文作者签名；荔盘塞凼一 日 期：型! ：篁：! 查一 ：i 指导教师签名：翌么乏 日妣型阻吵 内蒙古大学硕上学位论文 单相正弦逆变电源波形控制实现 摘要 d c a c 逆变器近年来在风力发电等场合得到广泛应用。为了提高电能质量， 使逆变电源具有高质量的输出波形，深入研究、开发正弦波逆变电源技术，具 有许多现实的意义。 针对以删为微处理器的逆变器数字控制系统，本文在深入分析逆变电源 技术理论及实验需求的基础上，对整个硬件系统平台进行了详细的设计，研制 了一台直流输入电压2 4 v ，输出电压为a c 2 2 0 v 、额定功率6 0 0 v a 的单相正弦 逆变器样机。通过分析、对比几种常用的逆变电路拓扑结构、工作原理和实现 方法，本文最终选择了全桥逆变电路。另外，文中对逆变器主电路、驱动电路、 输出滤波电路和采样控制电路主要参数的设计及相关元器件的选型进行了详细 的介绍。变压器是一个电流器件，只要保证变压器前级电流的正弦度，次级输 出也将呈正弦变化，因此文中选择了负载电压瞬时值、逆变桥输出电流瞬时值 双环反馈控制，电压环调节输出电压的峰值，电流环保证输出波形的正弦度， 实现简单，稳态性能好，动态响应快。文中重点阐述了实现以上控制思想的软 件流程图，并且在s 3 c 2 4 4 0 芯片上实现了对逆变电路的控制。 最后，在单相正弦逆变器样机上进行了程序调试，实验结果验证了控制算 法的正确性和有效性。 关键词：逆变器，正弦，a i ，双环控制 内蒙古大学硕上学位论文 t h er e a l i z a t i o no fc o n t r o l l i n gt h e 厂a v e f o r m o ft h es i n g l e p h a s es i n e 州e r t e rp o 咂r a b s t r a c t t h ed c a ci n v e r t e ri sw i d e l yu s e di i lw i n dp o w e rg e n e r a t i o na n do t h e r o c c a s i o n si nr e c e n ty e a r s i no r d e rt oi m p r o v em ee l e c t r i c a le n e r g yq u a l i 够a n dm a k e i n v e r t e rh a v eh i g h - q u a l 埘o u t p u tw a v e f o m ，i th a sn m c hp m c t i c a ls i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ha n dd e s i g nm et e c h n o l o g yo fs i n ei n v 嘶e r f o rt h ea i t md i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ei n v e r t e r m ee n t i r eh a r d w a r ep l a t f o r m w a sd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a ld e m a n d so fi n v e r t e r t h ed c i n p u tv o l t a g eo ft h i ss i n g l ep h a s e s i n ei n v e r t e rw a s2 4 vt h eo u 印u tv o l t a g ew a s a c 2 2 0 va n dt h er a t e dp o w e rw a s6 0 0 v a t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n g s e v e r a lk i n do fc o m m o n l yu s e di n v 鲥e r sc i r c u i tt o p o l o g y ，p r i n c i p l eo fw o r ka n d m e t h o do fr e a l i z a t i o n ，t h e 如l l - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i tw a sc h o s e ni nt h ep a p e r m o r e o v e r ，t h ed e s i g no fm a i np a r a m e t e r sa n ds e l e “o no fr e l e v a n tc o n l p o n e m so f t h ei n v e r t e rm a i n c i r c u i t ， t h e d r i v i n gc i r c u i t ，m eo u t p u tf i l t e r c i r c u i ta n dt h e s a m p l i n gc o n t r o l c i r c u i tw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h e p 印e r b e c a u s et h e t m n s f o r m e ri sac u r r e n tc o m p o n e n t ，i ft h ec u r r e n tw a v eb e f o r et h et r a n s f o n n e ri ss i n e ， t h eo u t p u tw a v eo ft h et r a n s f o r m e rw i l lb es i n u s o i d a la st h es a m e t h e r e f o r et h ed u a l l o o pc o n t r 0 1w a ss e l e c t e di nt h ep a p e r ；o n el o o p sf e e d b a c kw a s t h ei n s t a n t a n e o u s v a l u eo f l o a dv o l t a g e ，a n o t h e rl o o p sf e e d b a c kw a st h ei n s t a n t a n e o u sv a l u eo f t h e 塑鍪直奎兰婴兰堡堡苎 ： -_-_-_-_-_-_-_-_-l_i_-_。-_-_-。_-_-_-。_-。_-。-_。_。_。1。一一 i n v e r t e rb r i d g eo u 印u tc u 仃e n t t h eo u t p u tp e a kv o l t a g ew a sa d j u s t e db ym ev o l t a g e l o o p ，a n dt h es i n u s o i d a lo u t p u tw a v ew a se n s u r e db yt h ec u n e n tl o o p t h i sc o n t r o l m e t h o dw a sr e a l i z e ds i n l p l y ，a n di t ss t a b l es t a t ep e 怕r m a n c ew a sg o o d ，t h ed y n a m i c r e s p o n s ew a sf a s t i nt h ep a p e r ，t h es o r w a r e n o wc h a n st oi n l p l e m e n tt h ea b o v e c o n t r o lm e t h o dw e r ee l a b o r a t e d ，a n dt h ep r o g r a mw a sr e a l i z e do nt h es 3 c 2 4 4 0c h i p t oc o n t r o lt h ei n v e r t e r f i n a l l y t h ep r o g m mw a sd 如i u g g e do nt h es i n 9 1 e - p h a s es i n ei n v e r t e r a n dm e e x p 舐m e n t a lr e s u l t sv 嘶f i e dt l l ec o n 咖e s sa n dv a l i d i t yo f t h ec o n t r o la l g o r i t l u l l k e y w o r d s ：i n v e r t e r s i n e ，a r m ，d u a l l o o pc o n t r 0 1 内蒙古大学硕十学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 逆变技术概述、现状、发展趋势、应用一l 1 1 1 逆变电源概述l 1 1 2 逆变器的分类2 1 1 3 逆变电源的发展趋势2 1 1 4 逆变电源的应用3 1 2 几种常用单相逆变器主电路及其原理3 1 2 1 单端式逆变电路3 1 2 2 推挽式逆变电路3 1 2 3 半桥式逆变电路4 1 2 4 全桥式逆变电路4 1 2 5 四种逆变电路的比较4 1 3 电力电子器件6 1 4 逆变器的主要控制技术7 1 4 1s p w m 控制8 1 4 2 控制方法1o 1 4 3 逆变器控制技术总结13 1 5 研究意义和内容13 1 5 1 课题研究背景、目的、意义。1 3 1 5 2 课题研究的主要内容1 4 1 5 3 论文章节划分以及各章讨论的内容1 4 1 6 本章小结l5 第二章总体设计。1 6 2 1 逆变电源的性能要求1 6 2 2 逆变电源设计指标1 7 2 3 设计方案：硬件、软件1 7 2 4 本章小结l8 第三章硬件电路设计1 9 3 1 整体结构1 9 3 2 主电路1 9 3 2 1 逆变桥19 3 2 2 功率管选择1 9 3 2 3i g b t 参数计算2 0 3 2 4 快恢复二极管2 1 3 2 5 输入滤波器2 2 3 3 驱动电路2 2 3 3 1 驱动电路要求2 3 3 3 2 驱动电路设计2 5 3 4 输出滤波电路2 5 3 4 1 滤波电感2 6 3 4 2 滤波电容2 6 内蒙古大学硕十学位论文 3 5 逆变器控制电路2 7 3 5 1 控制器2 7 3 5 2 采样电路2 9 3 6 本章小结3 0 第四章控制算法和软件设计31 4 1a d s l 2 集成开发环境简介3 l 4 2p i d 控制器介绍3 2 4 2 1p i d 控制器结构3 2 4 2 2p i d 控制器参数对系统性能的影响3 3 4 2 3 增量式p i d 控制器3 4 4 2 4p i d 控制器参数整定3 4 4 3 控制算法选择3 5 4 4 正弦标准数据3 6 4 4 1 电压正弦标准数据3 6 4 4 2 电流正弦标准数据3 7 4 5 控制程序实现3 8 4 5 1 主函数一p o w e r m a i n ( ) 。4 0 4 5 2 时钟初始化函数c l o c k p o w e r i n i t ( ) 一4 0 4 5 3p w m 初始化函数_ p w m i l l i t o 4 0 4 5 4t i m e r 4 中断初始化相关函数4 l 4 5 5 采样系统函数4 l 4 5 6t i m 凹4 中断函数i r qt i m e r 4 i s r ( ) 4 2 4 6 本章小结一4 8 第五章调试及结果分析4 9 5 1 结果及分析4 9 5 2 本章小结5 0 第六章结论及建议5l 6 1 本文完成的主要工作5 1 6 2 展望5l 参考文献5 2 j 改谢5 5 读研期间发表的论文5 6 读研期间参加的科研项目5 6 i i 内蒙古人学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先综述了现代逆变技术的现状、分类、发展趋势及其应用，并介绍了单相逆变电 源常用的几种逆变电路及控制技术，然后给出了课题背景和研究意义，提出研究目标及需要 解决的问题，最后介绍了本文各章的研究内容。 1 1 逆变技术概述、现状、发展趋势、应用 当前，数字化已经成为信息社会的主流，电力电子的数字控制也是势不可挡。随着高速 g r r o 、g t r 、i g b t 等具有自关断能力的功率开关管的出现和商品化，使功率变换装置的结 构不断简化、可靠性不断提高。同时，高性能微处理器如单片机、a r m 的出现及现代控制 理论的发展，使逆变电源的数字控制成为了可能。正是高速微处理器的采用，使得一些先进 的控制策略能够应用于逆变电源的控制。这样对于逆变电源负载大量为非线性电子负载的情 况，可以针对非线性电子负载动态变化产生的谐波进行动态的补偿，而不需要人为地干预， 从而使输出谐波达到可接受的水平。【l 】 1 1 1 逆变电源概述 逆变电源是一种采用开关方式，从交流或直流输入得到稳压、稳频的交流输出的电能变 换装置。随着功率开关器件的发展，逆变电源已经广泛地应用于电动车、电力设备、产业设 备、交通车辆等领域中。其核心技术是逆变器技术，采用逆变技术可以灵活地调节输出电压 或电流的幅度、频率，改善电能质量，高效节能。在系统节能化、高性能化、高功能化中， 它已经成为不可缺少的技术。【2 】 随着电力电子行业的发展和社会的需求，人们对逆变电源的要求越来越高。表现为：第 一，各种设备对逆变电源输出电能质量的要求越来越高。第二，基于对清洁能源的要求，对 逆变器的设计也提出了更高要求。第三，逆变器供电系统中，对逆变器的容量要求也越来越 高。【3 】 在电力变换和控制领域中，逆变器目前几乎都是采用p w m 控制方式。随着现代电力电 子朝着高频化、模块化、智能化、集成化和绿色化方向发展，新型半导体功率器件的开关频 率不断提高。逆变器一个周期内输出脉冲越多，等效电压波形越接近于j 下弦波，从而减少输 出谐波，提高调速性能，滤波器尺寸也将减小；特别是当开关频率在1 8 l m z 以上时，噪声将 堕茎直奎兰堡= ! ：兰篁丝苎 超出人类听觉范围，实现无噪声传动。电力电子装置的高频化为p w m 逆变器带来更大的发 展空间。【1 】 1 1 2 逆变器的分类 逆变器的分类的方法有多种，按照不同的方式，逆变器可以做如下分类： l 、按照输出电能去向分类：可以分为有源逆变电路和无源逆变电路。如果逆变输出电能 回馈给公共电网，称为有源逆变电路；如果逆变输出的交流电能直接用于负载，称为无源逆 变电路。 2 、按照直流侧滤波形式分类：可以分为电压源逆变电路和电流源逆变电路。如果在直流 端并联大的电容，抑制直流电压纹波，为交流侧无功电流提供通路，称为电压源逆变电路； 如果在直流端串联大的电感，抑制直流电流纹波，为交流侧无功电压提供支撑，称为电流源 逆变电路。 3 、按照电路结构分类：可以分为桥式电路和非桥式电路。桥式电路又可以分为半桥电路 和全桥电路。全桥电路利用四个开关元件构成h 桥，半桥电路利用两个开关元件构成一个桥 臂，另个桥臂由不可控的无源元件构成。非桥式电路指其它结构的逆变电路，如多电平逆 变电路，推挽式逆变电路等。 4 、按照控制策略中的被控电量分类：可以分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。如果 被控量为输出电压，即控制输出电压的幅值、频率和波形满足一定的要求，称为电压型逆变 电路；如果被控量为输出电流，即控制输出电流的幅值、频率和波形满足一定的要求，称为 电流型逆变电路。 5 、其它分类方式：按照输出波形分类，可以分为方波输出逆变电路和正弦波输出逆变电 路。按照输出相数分类，可以分为单相电路和三相电路。按照开关方式分类，可以分为硬开 关方式和软开关方式。【4 】【5 】【6 】f 7 】 1 1 3 逆变电源的发展趋势 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，逆变电源的发展趋势可以概括以下几个方 面： l 、高频化。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的 尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是逆变电源的主要发展方 向。 2 、低噪声。逆变电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。所 以，尽可能地降低噪声影响是逆变电源的又一发展方向。 内蒙古大学硕士学位论文 3 、模块化。逆变器的模块化设计可以提高整个系统的集成度，缩小整机的体积，减少成 本，且易于维护，维修方便。同时，模块化设计可以使逆变器适应不同的要求，提高了通用 性。 4 、数字化。数字化控制技术使得各种复杂的控制策略容易实现，而且使设备的体积、重 量进一步减小，性能更为提高。 5 、高可靠性。在设计电源时，尽可能使用较少的元件，提高系统的集成度，同时也简化 了电路，使系统的可靠性得到了提高。 6 、绿色化。节电是绿色电源一个很重要的因素。为了使电源系统绿色化，电源应加装高 效滤波器，采用功率因数校正技术和软开关技术。 7 、采用新型的逆变器控制策略，提高逆变器的各项性能指标。 总之，今后电源技术将朝着高效率、小型化和高可靠性的方向发展，并不断实现低污染、 轻量化，从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证。【8 】【9 】【1 0 】【i l 】 1 1 4 逆变电源的应用 随着逆变技术的r 益成熟，逆变电源被广泛应用到变频调速、制动能源反馈、u p s 、感 应加热、变频电源、风力发电、直流输电、有源滤波等各个领域。其应用范围大致地分为三 大类，电机调速控制、交流稳定电源、与电网相关的系统。【4 】【1 2 】 1 2 几种常用单相逆变器主电路及其原理 逆变器主电路通常由直流电源、功率开关管、输出滤波器等部分组成。基本功率转换主 回路( 即逆变主电路) 的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式以及单端式( 包括单端正 激、单端反激) 等四种主要形式。【2 】 1 3 】【1 4 】 1 2 1 单端式逆变电路 单端式逆变电路：所用的开关功率管数量少，控制电路简单，不存在直臂导通问题，但 高压开关管所承受峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧故只适 合中小功率输出。图1 1 所示为单端正激式变换器的基本电路。变压器的初级绕组中流经的 电流除了负载电流外，还有励磁电流，但还需要专用绕组n 3 使其在每一个开关周期对励磁 电流感应的励磁磁通进行消磁及变压器恢复，而恢复需要一定的时间。【1 5 】【1 6 】 1 2 2 推挽式逆变电路 推挽式逆变电路：只用两个高压开关管能获得较大功率输出，一对功率管的发射极相连， 两组驱动电路彼此问无须绝缘，驱动电路简单，但高压开关管承受的反压较大，原边绕组只 一 堕茎查盔堂堡兰垡丝兰 - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 。- - 。_ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ 。i _ _ _ _ 。一 有一半工作时间，变压器利用率低，驱动感性负载困难。推挽式逆变器的拓扑结构如图1 2 所示，由两只共地的功率开关管和一个原边带有中心抽头的升压变压器组成。它结构简单， 两个功率管可共同驱动，但功率管承受的开关电压为直流电压的两倍，因此只适应于直流母 线电压较低的场合。【1 4 】【1 5 】【1 6 】 n 3 一 一 l 、v 1 z 劝尸l 。 ) r 图1 1 单端正激式变换电路 f i g 1 1s i n g l e - e n d e df o r 、v 羽dc o n v e r t e r 1 2 3 半桥式逆变电路 图1 2 推挽式变换电路 f i g 1 2p i l s h p u l lc o n v e r t 盯 半桥逆变电路只需要两个开关管v t l 和v r r 2 组成一个桥臂，另一桥臂由两个电容串联 组成，开关管并联反向二极管为感性负载电流提供续流通路。因为半桥电路需要的开关元件 较少，所以半桥逆变电路控制相对简单，但是单相半桥式逆变电路在输入端只能产生两种电 平，因此采用脉宽调制的方式在输入端生成的是双极性的调制波，其逆变桥输出电压的幅值 u a b 只有直流母线电压的一半，欲得到和全桥、推挽式电路相同的输出功率，高压开关管必 须流过两倍的电流，而且它必需有两个输入电容，流过与电路工作频率相同的充放电电流， 由于其电路的特殊结构，不存在直流偏磁问题，在同样的开关频率下输出谐波较大，一般只 宜获得中等功率的输出。【2 】【7 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】 1 2 4 全桥式逆变电路 全桥逆变电路中四个开关管1 v t 4 组成了两个桥臂，每个开关元件都并联反向二极管 为电感电流续流提供通路，与半桥电路相比控制相对复杂，但灵活度更大，电压源v d c 上并 联大电容以吸收无功电流，减小电压纹波。逆变器输出电压的幅值u a b 等于直流母线电压v l ， 对高压开关管耐压要求低，变压器利用率高，易获得大功率输出。逆变器输出电压u a b 是一 组脉冲形式的方波电压，方波的频率、脉冲宽度和幅值与控制方法和电路结构有关。在全桥 逆变电路中，输出电压u a b 的幅值可以等于+ v s ，o 或v s ，因此全桥电路可以采用双极性调 制、单极性或单极性倍频调制。由于桥臂输出电压存在零电压续流状态，可实现倍频，在较 低的开关频率下可以获得更好的谐波控制。因此常用于中大功率电源中。【2 】【7 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】 1 2 5 四种逆变电路的比较 在相同输出电量参数的情况下，对不同逆变电路主回路进行比较，如表1 - 1 所示。 内蒙古大学硕士学位论文 图1 3 半桥式变换电路图1 4 全桥式变换电路 f i g 1 3h a l f b r i d g ec o 】1 、，e r t e rf i g 1 4f u l l 一b r i d g ec o n v e r t e r 对于推挽型电路来说由于无上下桥臂直通及偏磁问题，可靠性实现比较容易，但容量较 小，若并联使用则应解决两路输入同步，均流及抗干扰问题；半桥变换器具有较强的抗偏磁 能力，但由于其开关电流是桥式电路的两倍，在输出功率较大时仍需采用并联电路，半桥结 构的分压电容采用高频电容，其体积较大。全桥变换器是理想的大功率逆变电源结构，由于 其偏磁的必然存在，而限制了其应用，应用全桥结构必须有抗偏磁措施，如果能有效解决高 频变压器抗动态偏磁问题，则全桥结构是理想的大功率逆变电源结构，可靠性得以解决。综 上所述，各种逆变电路拓扑各有优缺点和合适的应用场合。【2 】【7 】【1 3 】【1 5 】【1 6 】 表1 1 逆变电路的比较 t a b l e 1 一1 c o m p 撕s o no fi n v e r t e rc i r c u i t s 型式 项目 推挽式全桥式半桥式单端式 功率开关管集 稳态为2 e ， 稳态为e ，截止期二极管 射极间施加的 由漏感引起的 二极管箝位使同全桥式箝位使 尖峰使 电压 v c e n 懿2 ev c e m x = e v c e m x 2 e 相同输出功率 时集电极电流 i ci c2 i c2 i c 相同集电极电 流时输出功率 p o p o o 5 p o o 5 p o 变压器上施加 的电压 e e o 5 e e 功率开关管 数量 2 4 22 输入滤波电容 数量 112l 功率元器件数 少多 中少 量 驱动复杂程度简单复杂中等简单 宜于获得的输 出容量 大大中等中、小 内蒙古大学硕士学位论文 1 3 电力电子器件 逆变技术的进步一定程度上得益于电力电子器件的飞速发展和应用的同趋成熟。功率开 关元器件是逆变器中的一个关键器件。目前，功率器件朝着模块化、集成化、全控化、高频 化及多功能化的方向发展。全控型器件的开通和关断是由栅极控制，具有导通电阻小、正向 压降低、开关速度快、开关损耗低、d i m 及d v 坩t 耐量大的优点。全控型器件主要有：门极 可关断晶闸管g ，r o 、电力晶体管g t r 、电力场效应晶体管p m o s f e t 、绝缘栅双极晶体管i g b t 垂喹 【l o 】【1 5 】 可o 1 、g t o ( g a t et u m o f l f t h y r i s t o r ) g t o 是具备自关断能力的晶闸管，具有耐压高、电流大、浪涌能力强、可自关断、工作 频率较高、造价便宜等优点。目前在高压、大容量电力变换领域仍占有主导地位，但g t o 存在门极增益低、驱动功率大、控制复杂等严重缺点，因此增大输入阻抗成为成为当前g t o 发展的主要方向。 2 、( 玎r ( g i a m1 k m s i s t o r ) g t r 是一种三层结构的电流型双极性电力电子器件，具有通态压降低、开关频率高等优 点。但g t r 电流、电压耐量之间的内在矛盾及二次击穿现象限制了其进一步的发展。一般应 用于电压在4 0 0 v 以下的中小功率电力变换器。 3 、p m o s f e t ( p o w e rm o s f e t ) p m o s f e t 是一种多数载流子导电的单极性电力电子器件。其优势在于：多子导电，无 少子储能效应，因而开关时间短，典型值为2 0 n s ，开关频率可达l m h z ；栅源输入阻抗高， 属于电压型器件，驱动方便；器件电流具有负的温度系数，无二次击穿现象，易于并联使用。 略现不足的是p m o s f e t 的导通压降较高，而且通态电阻随着器件耐压和温度的升高而增加， 研制高耐压、低导通压降的p m o s f e t 比较困难。p m o s f e t 广泛应用于高频、小功率、低 压装置中。另外，因其体积小、价格低、使用方便，p m o s f e t 也是为研究新型电力变换器 电路或控制方案而制作小容量样机时经常选用的器件。 4 、i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt 协l s i t o r ) i g b t 综合了双极性g t r 导通压降低、阻断电压高、电流容量大以及单极性p m o s f e t 驱 动功率小、开关频率高、热稳定好的优点，目前已广泛应用于5 0 0 k w 以下的中等功率变换 器，如逆变器、高频整流器、直流稳压电源以及u p s 系统中。i g b t 的单管容量可达4 0 0 a 内蒙古大学硕士学位论文 6 0 0 1 2 0 0 v 1 8 0 0 v ，开关频率可达2 0 k h z ，通态压降可降至1 5 v 。大容量、高频化是i g b t 发展的主要方向。 表1 2 大功率半导体开关器件性能比较 t l b l el - 2h i g h - p o w e rs e m i c o n d u c t o rs w i t c h i n gd e v i c ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 。器缪 g 豫g t oi g b tm o s f e t 名称 控制方式 电流电流电压电压 常态阻断阻断阻断阻断 正向电流范围( a ) 4 0 0 3 5 0 0l o m 4 0 0 1 2 l o o 导通电流密度( c m 2 ) 3 04 06 06 浪涌电流耐量3 倍额定值1 0 倍额定值5 倍额定值5 倍额定值 最大开关速度( k h z ) 5 01 05 02 0 0 0 0 门极驱动功耗高中等很低低 呔| 酞 中等低两局 d i d t 中等低高高 最高工作结温( ) 1 5 01 2 52 0 02 0 0 使用难易程度较难 难 中等很容易 1 4 逆变器的主要控制技术 对于逆变电源，在性能上除了需满足可靠性、体积、重量、效率、电磁兼容性( e m c ) 等 基本指标之外，在供电质量首要的要求就是高质量的输出电压波形，其主要的技术要求包括： l 、输出一个电压、频率稳定交流电，并达到一定的稳态精度。 2 、输出电压波形含谐波成分应尽量小，特别是在非线性负载条件下，如整流负载。 3 、应具有快速的动态响应，一般动态中电压和频率的最大瞬态偏差分别不超过l o 和 2 ，电压恢复时间不超过1 秒。 采用传统方波控制技术的逆变器电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦即t h d ( 电压谐波畸变率) 过大。p w m 脉宽调制式逆变器，既有简单的电路，又可使输出电压波形的 谐波含量大大减小，亦即具有较低的t h d 输出电压波形，且p w m 控制技术控制简单，灵活 和动态响应好的优点，因而得到了广泛的应用。【1 7 】 实际运行中，有很多因素导致逆变电源输出波形产生畸变，因此必须对逆变器进行波形 控制，降低输出阻抗，抑制谐波，使逆变器在其容量范围内带各种负载均可输出高质量的正 弦电压波形。【1 8 】 内蒙古人学硕上学位论文 1 4 1s p w m 控制 逆变器p w m 控制策略可以分为三大类：正弦p w m ( 包括以电压、电流或磁通的正弦 为目标的各种p w m 方案) 、随机p w m 及特定消谐p w m 。从实现方法上看，主要有模拟式、 数字式及模拟与数字混合式等几种，而数字式又包括硬件、软件或e p r o m 存储( 查表) 等 几种具体实现方式。【1 1 数字控制以其控制策略的灵活性和强大的信息处理能力、其控制性能受环境温度的影响 不大，不存在元器件随时间老化和参数漂移等优势备受青睐。数字化s p w m 逆变器已成为当 今逆变器发展的主流。 一、p w m 原理 所谓脉冲宽度调制( p u l s ew i d mm o d u l a t i o n ，p w m ) ，是利用微处理器的数字输出来对电 力电子变流器进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换 的许多领域中。【2 】 脉宽调制逆变器，其理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”原理，即大小、形状 不同但冲量( 幅值对时间的积分，即波形的“面积”) 相等的窄脉冲激励信号作用于惯性系统 ”如低通滤波器时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。其特点 是固定开关频率并产生输出脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关的通断状态来进行完成电能 的变换、控制输出电压并有效地优化抑制输出谐波，而且动态响应性能好。【3 】 图1 5 解释了通过p w m 控制输出电压的工作原理。基波电压v l 在方波工作模式下具有 最大的幅值( 4 v d ) 。如图1 5 示，通过产生两个凹口，可以减小v l 的幅值，随着凹口宽度的 增加，基波电压将随之减小。【4 】 妙阿。一“n o 刀 图1 5p w m 控制输出电压的工作原理 f i g 1 5p 血c i p l eo fp w m c o n 缸0 lo u 印u t 、，o l t a g e 到目前为止，已出现了多种类型的p w m 控制技术。这些p w m 技术可分为如下几种类 型：1 ) j 下弦p w m ( s p w m ) ；2 ) 空间矢量p w m ( s v p w m ) ；3 ) 最小纹波电流p w m ；4 ) 特定谐波 消除p w m ( s h e p w m ) ；5 ) 随机p w m ；6 ) 滞环电流控制p w m ；7 ) 瞬时电流控制正弦p w m ； 8 ) d e l t a 调制p w m ；9 ) s i g m a d e l t a 调制p w m 。【7 1 塑鍪查奎兰堡兰竺笙茎 二、s p w m 原理 正弦p w m ( s p w m s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ) 技术是目前在逆变器中应用最 为广泛的p w m 技术。这种p w m 技术的特点是脉冲宽度按正弦规律变化，原理简单，通用 性强，控制和调节性能好，能有效地减少输出电压波形中的谐波成分、调节和稳定输出电压， 经过低通滤波后得到比较理想的正弦波形，是一种能获得最小输出波形畸变，最优动态响应 的技术。【8 】 s p w m 技术其基本原理是利用三角波( 载波) 与正弦波( 调制波) 的交点作为逆变器的开关 信号。在传统作法中，这种开关信号是由模拟电路形成的，即由振荡器产生正弦波和三角波 信号，然后通过比较器来确定逆变器某一桥臂上功率开关管的开通和关断。其缺点是元件过 多、控制线路复杂、稳定性及抗干扰能力差、精度也难以保证。目前，由于微处理器的速度 和精度不断提高，p w m 技术的数字化实现方法发展迅速，典型的有自然采样法和规则采样 法两种。在数字化方法中，三角波和正弦波的交点时刻可转化为一个采样周期内对输出脉冲 宽度时间及间隙时间的计算，由计算机来完成，时间的改变可通过定时器来完成。自然采样 法虽可真实地反映上述控制规律，但描述脉冲宽度的方程为一个超越方程，需要计算机迭代 求解，难以用于实时控制。当然也可以把事先计算出的数据放在e p r o m 中，利用查表的方 法输出p w m 波形。但是，频率及电压变化较大时，将占用大量内存。规则采样法是对自然 采样法的简单近似，具有实现容易、控制线性度好等优点，但精度不如自然采样法。( 1 0 】 如图1 6 ( a ) 示的分成n 等份的正弦半波，就可以看成是幅值按正弦规律变化而由n 个彼 此相连的脉冲序列所组成的波形即其脉冲宽度为n 。用图1 6 ( b ) 中的相同数量的等幅而不等 宽的矩形脉冲代替图1 6 ( a ) 中脉冲序列即按照冲量等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。 像这种脉冲的宽度按j 下弦规律变化而和正弦波等效的p w m 波形称为s p w m 波形。f 1 4 】 u ( 甜 u 伯 图1 6 与正弦波冲量等效的原理示意图 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g 舢o fe q u i v a l e n ts i r 圮w a v ei m p u l s e s p w m 技术根据输出脉冲电压的极性，可以分为单极性s p w m 和双极性s p w m ，以及 单极性倍频s p w m 。【1 7 】【1 9 】【2 0 】【2 l 】【2 2 】 堕茎直查堂堡兰兰垡丝茎 为了降低直流母线电压和输出电压中的谐波含量，减小输出滤波器体积，本系统采用了 全桥逆变器结构和单极性的调制方式。 1 4 - 2 控制方法 逆变器对输出波形的要求包括两个方面：输出电压准确跟踪参考正弦信号，波形畸变率 低；系统负载突变时动态响应速度快，输出电压波动小。波形控制技术一直是p w m 逆变器 领域的研究热点，多年的研究产生了种类繁多的控制方案。【l 】 在正弦波逆变电源控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有电压瞬时值p i d 控制 【4 】【8 】【l o 】【1 1 1 、无差拍控制【1 3 】【1 8 】、电压电流反馈的双闭环控制例【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 、重复控制 【3 2 】【3 3 】【3 4 】【3 5 】【3 6 】【3 7 1 、滑模变结构控制3 8 】【3 9 】【柏】【4 1 】f 4 2 】、线性多变量状态反馈控制【4 3 】【删【4 5 】【4 6 】【4 7 】【4 8 】【4 9 1 、 预测控制【5 0 】【5 1 】【5 2 1 、模糊控制【5 3 】【5 4 】【5 5 1 以及神经网络控制5 6 】【5 7 1 等