单相全桥逆变器单周期控制技术研究.doc

本科毕业设计（论文）单相全桥逆变器单周期控制技术研究*燕 山 大 学2012年6月 本科毕业设计（论文）单相全桥逆变器单周期控制技术研究 学院（系）：里仁学院 专 业：* 学生 姓名：* 学 号：* 指导 教师：* 答辩 日期：2012年6月17日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电气工程及自动化系 学号*学生姓名*专 业班 级应电08-2题目题目名称单相全桥逆变器单周期控制技术研究题目性质1.理工类：工程设计 （）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容掌握单周期控制的基本原理，并将其应用于单相全桥逆变电路。掌握PSIM仿真软件，仿真实现单相空间矢量调制的单相全桥逆变器。基本要求1.设计单相全桥逆变器的主电路结构及元、器件参数2.设计单周期控制算法3.仿真实现单周期控制的单相全桥逆变器参考资料1.IEEE相关期刊文献2.中文核心期刊3.相关领域专著周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容文献阅读，英文文献翻译掌握基本概念和基本方法系统软硬件设计，熟练使用仿真软件仿真研究，结果获取撰写毕业设计报告书，答辩指导教师：*职称：副教授 2011年12月31日系级教学单位审批： 年 月 日 摘要摘要单周期控制是一种基于开关变量积分的新型非线性控制策略，能有效地抑制电源电压的扰动，但对负载扰动抑制能力有限。单周期控制技术克服了常规PWM 技术固有的缺点：单周期控制的开关频率是固定的，既改善了输出波形的质量，又降低了输出波形的谐波含量；单周期控制的开关变量平均值在一个开关周期内严格跟踪参考给定，且开关变量平均值与控制参考之间既没有稳态误差，也没有暂态误差。而且，将单周期控制技术运用到单相全桥逆变器中可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。因此，本文选择了对单相全桥逆变器的单周期控制技术的研究工作。本文通过使输入电压发生突变来证实单周期控制对系统输入侧扰动的抑制作用，并利用电力电子仿真软件PSIM对系统进行详细的仿真分析，从而利用仿真结果证实了方案的可行性。关键词 单周期控制；单相全桥逆变器；PSIMI 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThe single-cycle control is a new nonlinear control strategy based on the switch variable integral, it can effectively inhibit the supply voltage disturbance, load disturbance rejection capability is limited.Single-cycle control technique overcome the inherent shortcomings of conventional PWM technology: single-cycle control of switching frequency is fixed, both to improve the quality of the output waveform, but also reduces the harmonic content of the output waveform; the average single-cycle control of the switch variable in a switching cycle and strictly follow the reference given, and neither the steady-state error in the switch variable between the average control reference, there is no transient error. Moreover, single-cycle control technique applied to single-phase full-bridge inverter can effectively overcome the defects in the traditional voltage feedback control, but also do not have to consider the human compensation in the current mode control. Therefore, we have chosen a single-cycle single-phase full-bridge inverter control technology research.This article confirmed by a mutation in the input voltage to the single-cycle control of the inhibitory effect of disturbance on the system input side, and a detailed simulation analysis of power electronic simulation software PSIM system to take advantage of the simulation results confirm the feasibility.Keywords One-cycle control；Single-phase full-bridge inverter；PSIMIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 逆变电路的现状与发展11.1.2 单周期控制技术的特点及研究现状41.2 本文研究的主要内容5第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理62.1 引言62.2 单相全桥逆变器的基本原理62.3 单周期控制在buck变换器中的应用实例82.3.1 基本buck变换器82.3.2 单周期控制92.4 双极性调制方式下的单周期控制技术基本原理分析112.5 本章小结14第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计153.1 引言153.2 主电路参数设计153.2.1 输出滤波器的设计153.2.2 滤波器参数选择173.2.3 负载电阻的参数设计193.2.4 主开关(MOSFET)的选择193.2.5 驱动器件的设计193.3 控制电路参数设计203.3.1 积分器参数设计203.3.2 比较器设计213.3.3 触发器的设计213.3.4 双向电子开关的设计223.4 本章小结22第4章 基于单相全桥逆变器的单周期控制的仿真结果244.1 引言244.2 电路仿真软件PSIM的概述244.2.1 PSIM的仿真环境的介绍244.2.2 PSIM仿真软件的运行阶段244.2.3PSlM仿真软件的电路结构254.3 系统仿真264.3.1 仿真结果274.4 本章小结30结论31参考文献33致谢35附录136附录241附录346附录451附录5 64III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景 随着信息技术的发展，技术的不断成熟，滑模变结构控制，重复控制等新的控制方式克服了常规控制策略对电路模型的精确性以及电路参数的非线性与时变性的依赖的缺点，使系统的可靠性和精度得到不断提高，控制系统鲁棒性和对负载的适应能力不断增强。但是，这些先进的控制策略在实现上都存在着不同的问题，如变结构滑模控制固有的抖震无法保证系统可靠地运行，为了避免抖震而采取措施又增加了设计的复杂性；重复控制的响应速度比较慢，同时重复控制需要对负载连续自动的辨识和一个非常复杂的补偿网络才能保证系统的稳定性。 将各种控制算法结合起来取长补短虽然弥补了各种控制策略的不足，但是同时增加了系统设计的复杂性，形成了控制的高精度与系统的复杂性之间不可协调的矛盾。单周期控制是一种典型的实用非线性控制技术，其特点是，在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，无论是稳态还是暂态， 它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值，在逆变电源中采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。随着当代电气技术的逐步发展，一些控制技术和控制方法应运而生，种类繁多的控制方法面对目前高速发展的社会逐步遭到科技领域的延伸以致淘汰。目前需求的具备高精度、高稳定性、高速度与抗干扰能力的控制技术逐步浮出水面。就在20 世纪90 年代初，美国加州理工学院的K.M.Smedley 博士提出了一种大信号非线性控制理论方法单周期控制理论（One Cycle Control），它是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的。1.1.1 逆变电路的现状与发展随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如充电器、通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、化工电源、汽车电源、绿色照明电源、不间断电源、医用电源、航空、航海、铁路交通、生产线、实验室等等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。这门学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置，它从交流或直流输入获得稳压稳频的交流输出。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多种学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。按照输出电压的相数分类，逆变电路可以分为单相逆变电路和三相逆变电路。三相逆变电路按照输出有无中线又可以分三相四线制逆变电路和三相三线制逆变电路。按照逆变电路的额定输出功率分，逆变电路可分为小容量逆变电路（0.5kVA10kVA）、中等容量逆变电路（10kVA50kVA）及大容量逆变电路（50kVA 以上）。逆变电路之所以能得到广泛的应用，是因为它能实现以下功能：变频（逆变电源将市电转换成用户所需频率的交流电）、变相（逆变电源能将单相交流电转换成三相交流电，也能将三相交流电转换成单相交流电）、逆变（逆变电源能将直流电转换成交流电）、提高电质量（逆变电源能将低质量的市电电压转换成高质量的稳压稳频的交流电压）。逆变器广泛用于工业、交通、能源、航空航天等领域。为了满足实际应用的各种要求，人们希望逆变器的输出电压（电流）、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，比如，有些系统对输出电压波形正弦失真度有严格的要求。基于此，研究逆变器的输出电压谐波是很有实际意义的。逆变器按输出相数可以分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。在单相逆变器中，常采用PWM 调制方式对开关管进行控制，在PWM 调制方法中有方波调制、正弦波调制、矢量空间调制等。方波调制尽管直流利用率高，但输出电压的谐波含量也高，且正弦度较差；而SPWM 调制能获得较好的正弦波，目前已被广泛应用。逆变电路的应用范围非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。现代电力电子技术的快速发展为逆变技术的采用提供了必要的条件，采用逆变技术的优越性主要表现在以下几个方面：1）灵活的调节输出电压或者电流的幅值和频率。通过控制回路，可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或电流的幅值和频率按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活的变化。2）将蓄电池中直流电转换成交流电或其他形式的直流电。这种转换的用途很广，不间断电源设备在电网停电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流电，供计算机等用电设备使用，不间断其工作，从而不会造成太大的损失。程控电话交换机二次电源是一种 DC/DC 变换器，它把蓄电池中（或者一次电源送来的）直流电变换成其他形式的直流电供交换机使用，它不会因为交流电网停电或剧烈变换而影响工作。3）明显地减小用电设备的体积和重量，节省材料。很多用电设备中，变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量。变压器绕组匝数和有效横截面积之积与变压器绕组中所加电压的频率成反比关系，如果能将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器的体积和重量会明显减小，当然也节约了制作变压器的铜材和磁性材料。4）高效节能。采用逆变技术高效节能主要表现在：电动机变频调速代替恒转矩、电动机制动时的有源逆变代替功耗电阻、提高功率因数、减小变压器体积的同时也减小了变压器的功耗。5）动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性很好。具体表现为：对电网波动的适应能力强（源效应好），负载效应好，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输出稳定，纹波小等。6）保护快。由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号的反应快，从而增加了系统的可靠性。然而逆变技术作为一种重要的电能变换技术已经广泛应用于交流电机调速、不间断电源、新能源开发等领域。1.1.2 单周期控制技术的特点及研究现状单周期控制技术是通过对滤波电路的输入电压进行积分，使其在一个周期内跟踪参考信号的电压值。它是一种典型实用的非线性控制技术，其特点是，在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值，在逆变电源中采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。单周期控制技术的突出优点在于其无论在稳态还是在暂态情况下，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号，即能在一个周期内，有效地抵制电源侧的扰动，既没有静态误差也没有动态误差，动态响应快速，对输入扰动抑制能力强。开关变换器是脉冲式的非线性动态系统，大多数采取的控制方案是首先通过线性化控制方程逼近这个非线性动态系统，然后再采用线性反馈技术进行控制。这种方法限制了开关非线性系统的功能。而单周控制没有这种限制，因而得到了学术界的广泛认可，也成为了目前学者们研究的热点，这也成为选题的依据之一。 脉宽调制(PWM)逆变技术是实现逆变器输出正弦化的有效方法，其基本原理是采用一组不同宽度的脉冲序列来等效正弦波电压。PWM 控制技术的发展主要集中在 4 个方面：（1）如何提高逆变器直流侧电压利用率；（2）在输出基波电压不变的前提下，如何尽可能消除谐波；（3）如何改善控制性能；（4）如何改变谐波频谱分布。然而，单周期控制与其它现有PWM控制方法相比，结构简单、响应速度快、稳定性好、可适应高精度、高速度和高抗干扰的控制要求，这对课题的研究具备很大的吸引力。目前来看，单周控制已在DC-DC变换器、功率因数校正、有源电力滤波器、逆变器、开关功率放大器、不间断电源、交流稳压电源、静止无功发生器以及功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等诸多方面得到广泛应用。然而在国外，已有公司开始致力于将单周控制模块化并投入到商业运营。近年来，国内外主要针对于单周期控制变换器可行性、单周期控制变换器的建模和单周期控制变换器的稳态和动态性能方面进行研究，这也是本课题的研究趋势。单周期控制作为一种新型的控制方式，由于响应速度快、自适应性强等特点，在各种电路拓扑中得到了广泛地应用。现阶段单周期控制基本上都是采用模拟控制的方式，需要通过模拟电路来实现一个可以快速复位的积分器和一个稳定的积分常数。采用数字控制自身的特点和优势来实现单周期控制可以很方便的实现积分复位和保证控制器的参数不随时间和环境的变化而变化。又可以充分利用数字控制在实时通讯和状态监测等方面的优势。1.2 本文研究的主要内容本文通过大量阅读相关文献，了解了单周期控制技术的基本原理与基本概念，并将其应用于单相全桥逆变电路中。通过对单相全桥逆变电路的基本原理的理解与对但周期控制技术的掌握，将二者结合起来，在双极性调制方式下实现对全桥逆变电路的单周期控制。之后通过掌握电力电子常用仿真软件PSIM仿真软件，熟练使用后仿真实现单相空间矢量调制的单相全桥逆变器。本文所要研究的主要内容如下：（1） 在绪论中，我们对本次设计课题的背景进行了概述，并对单周期控制技术的特点与研究现状做了详细的阐述。（2） 在第二章中，我们对单相全桥逆变器及单周期控制技术的基本原理进行了详细的论述与分析，了解到单周期控制方法实现简单，对单相全桥逆变器的输入输出扰动具有较强的鲁棒性，且动态响应速度快，在此逆变电路中采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿，因此本次设计选择对单周期控制进行研究。（3） 第三章里我们对本次设计中主电路与控制电路的相关参数的计算给出了计算公式并进行了计算，并对所用到的器件进行了选型。（4）在最后一章里我们利用了电力电子仿真软件PSIM进行了系统仿真工作，给出了相关波形，验证了单周期控制在单相全桥逆变器中的可行性。69 第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理 第2章 单相全桥逆变器单周期控制技术相关原理2.1 引言 单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。下面介绍单周期控制技术在单相全桥逆变电路中的功能与应用。我们先由buck变换电路的单周期控制为例来介绍基本原理内容。2.2 单相全桥逆变器的基本原理 与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相连接时，称为无源逆变。本次毕业设计所选用的单相全桥逆变器为无源逆变电路。图2-1 单相全桥逆变电路电路如图2-1所示, 直流侧为电压源，交流侧为阻感性负载，共有四个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成。每个桥臂都由一个IGBT和与它反并联的二极管组成。当给IGBT加关断信号时，IGBT一定关断，但给IGBT加导通信号时，IGBT不一定就能导通，IGBT是单向器件，能否导通取决于流过负载的电流是否与IGBT的导通电流方向一致。如果一致，则IGBT导通；如不一致，则对应的二极管导通。电压型全桥逆变电路的原理图如图2-1所示，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成的。把桥臂1和4作为一对，2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。其输出电压的波形为矩形波，其幅值Um=E。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为普遍的。前面分析的都是Uo为正负电压各为180度的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值，只能通过改变直流电压E的大小来实现。在阻感负载时，可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种调压方式叫做移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在上图中，各个IGBT的栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，而且S1和S2的栅极信号互补，S3和S4的栅极信号互补，但S3的基极信号不是比S1落后180度，而是只落后（0180）。也就是说，S3和S4的栅极信号不是和S2与S1的栅极信号同相位，而是前移了180。这样一来，输出电压就不再是正负各为180度的脉冲，而是正负各为的脉冲。各IGBT栅极信号UG1UG4及输出电压Uo、输出电流Io的波形图如图2-2所示。下面我们对它的工作过程进行一下具体分析。图2-2 单相全桥逆变电路的移相调压方式波形图设在t1时刻前S1和S4导通，输出电压为E，t1时刻S3和S4栅极信号反向，S4截止，而因为负载电感中的电流不能突变，S3不能立刻导通，VD3导通续流。因为S1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时刻S1和S2栅极信号反向，S1截止，而S2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-E。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，S2和S3开始导通，输出电压Uo仍为-E。t3时刻S3和S4栅极信号再次反向，S3截止，而S4不能立刻导通，VD4导通续流，输出电压再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为。改变的值，就可以调节输出电压了。2.3 单周期控制在buck变换器中的应用实例2.3.1 基本buck变换器假定输入电压为Vg开关频率为常数。当开关S导通时，二极管D截止，其两端电压Vd等于直流输入电压Vg，即Vg=Vd：当开关管S关断时，二极管D导通，其两端电压Vd=0。因此，输入电压经开关管S斩波后获得开关变量Vd，其平均电压Vd为：图2-3 buck变换器 （2-1）由L、C组成的低通滤波器将开关变量Vd传输给输出端获得稳态直流电压，同时滤除大部分不理想的高频成分。由于电感没有稳态直流压降，因此，输出电压Vo等于开关变量Vd的平均值，则通过调节占空比d就可以调节输出电压的大小。2.3.2 单周期控制如果采用单周期控制技术，便可以有效的克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。图2-4所示为单周期控Buck变换器原理图。 假定开关频率为Fs=1/Ts为常数。电路开始工作时，由D触发器产生恒定频率的开关脉冲，开通开关S，二极管D两端的电压Vd经积分器开始积分(初始状态为零)，当积分器输出电压Vint达到给定值Vref时，比较器输出翻转，触发器发出关断信号关断开关S，与此同时，触发器发出的复位信号使实时积分器复位为零，为下一周期做准备。由上面分析，不难得出下式： 图2-4 buck变换器单周期控制原理框图 （2-2） 如果给定参考信号Vref为常数，则二极管两端的平均电压Vd就为常数，从而输出电压Vo就为常数。如图5所示。压Vint的斜率直接反映了输入电压Vg的变化。当输入侧电压升高，Vint的上升斜率就陡，这样积分值Vint达到给定信号Vref的时间就比较短，从而占空比d就比较小；反之，当输入电压降低时，积分值Vint达到给定信号Vref的时间就比较长，占空比d就相对较大。图2-5 二极管电压积分值随Vref变化曲线如果给定信号Vref是时间变量的函数时，二极管的平均电压也会实时跟踪时间变量给定信号的变化。如图6所示是当给定信号Vref以正弦的规律变化时，二极管两端电压的积分值也会实时跟踪给定参考电压Vref的变化。在单周期控制中，占空比d由下式决定： （2-3）由上式可知，占空比d是输入电压Vg和给定参考电压Vref的非线性函数。采用这种非线性控制，使得Vd电压的平均值在每一开关周期内都与Vref完全相同，并且与输入电压Vg的大小无关。这样，输出电压Vo就是给定信号Vref的线性函数，可以用下式来表示： （2-4）采用这种非线性的控制方法，开关变量Vd平均值的过渡过程将在一个开关周期内完成，因此定义这种控制方法为单周期控制(One-Cycle Control)。由于这种控制方式是在假定电路处于准稳态的条件下而推出的控制方法，所以又称做为准稳态控制QSSC(QuasiSteadyState Control)。2.4 双极性调制方式下的单周期控制技术基本原理分析控制技术运用到单相全桥逆变器中，因此不能像buck变换器那样由触发器产生复位脉冲复位积分器，而是要顾及到逆变电路中的交流变量，因此，本文在其中加入了窄为了获得比较理想的正弦波输出，逆变器通常采用正弦脉宽调制(SPWM)方式。正弦脉宽调制可以分为双极性调制(BPWM)方式和单极性调制(UPWM)方式。在这两种调制方式中所有的功率管均工作在高频状态。虽然和双极性调制相比，单极性调制的开关频率在“实效上”增加了一倍，使得输出电压波形的谐波频谱有所改善，但其代价是产生了较大的开关损耗，频率越高，损耗越大，二者相矛盾。本次设计所研究的是在双极性调制方式下的单周期控制技术在单相全桥逆变器中的应用。单周期控制的基本思路是设计一个控制内环控制开关变化器的开关变量，使其在一个开关周期内的平均值等于参考信号，从而跟踪给定控制输出。本次设计是将单周期脉冲发生器。窄脉冲发生器具体是由一个R-S触发器和一个延时器组成。当控制电路中的触发器的Q的下降沿产生了复位信号时，先由窄脉冲发生器将信号传送给积分器使其复位，然后在度过极短的时间后由延时装置对窄脉冲发生器中的触发器复位，即给R端一个高电平，从而积分器可以由零继续对开关变量积分，本次设计的延时器时间为1s，即为窄脉冲发生器的脉宽宽度。如图2-6所示为窄脉冲发生器的仿真图。图2-6 窄脉冲发生器本次毕业设计课题的基本设计思路是将单周期控制的相关原理运用于单相全桥逆变电路中。如图所示为双极性调制方式下的单相全桥逆变器单周期控制技术原理图，该控制器包含一个积分（复位）器，比较器，R-S触发器和积分器电路复位。其基本工作原理为：当时钟到来时，R-S触发器被置位（Q变为1），关断S1、S4触发S2、S3在这个开关状态下，控制变量Vd=-E。反相积分器开始对Vd进行积分，积分器的输出电压Vint从初始值开始单调上升。当Vint上升到控制参考信号Vref时，由比较器的输出端产生一个复位脉冲将触发器复位（Q变为0），开始下一个开关状态，关断S2、S3触发S1、S4。同时Q的下降沿产生一个窄脉冲来复位积分器。积分器在复位之后将从零开始积分。在这个开关状态下，控制变量Vp=E，积分器输出电压Vint一直单调下降。当时钟信号到来时，开始下一个周期。以后的每个开关周期，开关都以相同的规律工作，且每个开关周期内，积分器瞬时复位，正向、反向积分各一次。在这种控制方式下，逆变器的四个开关均处于高频状态，开关损耗较大，并且由于单周期控制在一个时钟周期内认为参考电压不变化，所以在这种调制方式下电压波形质量不理想。图2-7 单相全桥逆变器单周期控制原理框图我们再介绍一下控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形。如下图2-8所示，为控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形图。图2-8 控制参考电压Vref为正和负的两种稳态时的波形图通过这样的控制，图2-8中在T1-T3内开关变量Vp的平均值与Vref成正比。在稳定状态下，T1-T2时间间隔等于T3-T4时间间隔，因此，在开关周期中，Vp的平均值与Vref成正比，因为这个规律是重复循环的，所以Vp的平均值在每一个开关周期中都与Vref成正比。控制可概括为： （2-5）其中RI和C1分别为电阻值和电容值。 （2-6）其中，k = R1C1Ts ，Ts为开关周期。 K是电压从Vref到Vp的增益。 当Vref是一个大型的交流信号，没有直流稳定状态，因此从T1到T2的时间间隔不一定等于T3到T4的时间间隔。不过，当Vref频率远低于开关频率时，这是通常情况下，临近周期的（T2-T1）是非常接近的（T4 -T3）的，因此，本控制技术是有效的。单周期控制的新扩展可以适用于任何双极型开关转换器，如半桥、全桥、或四象限Cuk变换器等。2.5 本章小结本章先介绍了单相全桥逆变器的基本原理，再简单介绍了buck变换器的工作过程及单周期控制技术在buck变换器中的应用，引出了一种新型的控制方式单周期控制技术的基本原理，并将在双极性调制方式下运用在单相全桥逆变器之中，从而有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿，证实了单周期控制系统具有良好的稳定性。第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计 第3章 单相全桥逆变器单周期控制的参数与器件设计3.1 引言上一章重点讨论了单周期控制技术与单相全桥逆变器的相关原理，并将该控制方法运用到单相全桥逆变电路中，从而得出该控制方法的优点和该种控制方法适用于多种情况，比如：恒导通时间、恒关断时间、变导通时间和变关断时间等。本章将以恒定开关频率为例，来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。3.2 主电路参数设计 本次设计的实验条件如下： 输出电压有效值：200V 输入直流电压：400V 输出功率：1kw 开关频率：20kHz3.2.1 输出滤波器的设计对于CVCF一类电源，由于负载对输出电压的失真度要求比较严格，实际输出电压失真度往往高于允许值，因此需要进一步抑制谐波含量；另外，CVCF电源的输出频率是恒定的，因此在逆变输出和负载之间附加输出滤波器是常用措施。在交流逆变电源中，逆变器输出的滤波器是必不可少的重要组成部分，它的作用在于减少逆变器输出电压中的谐波，使输出电压波形正弦化。一般对滤波器的要求如下：1）使输出电压的单次谐波及总谐波含量降到指标允许范围内；2）在直流侧欠压且满载时，输出电压仍能达到额定值且不出现低次谐波；3）不过分影响逆变电源带非线性负载的能力；4）空载时滤波器输入电流要小；5）成本低、体积小、重量轻、原件少。为了减少损耗，输出滤波器都是由电感和电容组成的，不含有电阻。常见的滤波器有串联谐振滤波器、并联谐振滤波器、 型滤波器、m 型滤波器等。在逆变电源中，虽然加入初衷是为了衰减谐波，但 LC 滤波器的加入也给逆变电源带来了一些负面的影响，主要表现如下：1）增大了逆变器开关器件的负担；2）影响逆变电源的带负载能力，当直流侧欠压或者负载过大时，输出电压可能达不到额定值，即使能达到额定值，输出电压也可能因为过调制而出现低次谐波畸变；3）影响逆变电源系统的输出阻抗，如果 LC 参数选择不当，使系统的输出阻抗过大，不仅会使逆变电源对非线性负载的适应性减小，而且会使系统的动态特性变坏。所以 LC 滤波器参数的设计应当重视。由于型滤波器原件少，又有低通滤波特性，所以不仅适用于中小功率的逆变电源，且适合在大功率逆变电源中应用。本文所采用的 LC 滤波器就是型滤波器。基于单周控制技术的逆变电源，单周控制技术属于瞬时值反馈控制技术，当载波比足够大且不出现过调制时，一旦输出电压中出现较大的低次谐波时，无论是死区时间还是非线性负载引起的，通过控制，最终可使得输出电压中的低次谐波很小，所以在设计滤波器时，主要考虑高次谐波的衰减。 常用输出滤波器属无源滤波电路，是一种具有选频特性的端网络，按其频带分布可分为低通、高通和带通型；按其结构可分为电感输入型和电容输入型两种。作为电压源逆变电路输出滤波器最常见的是电感输入型的低通滤波器如图，当外加角频率满足 （3-1）有 （3-2）与此相应的频率为 （3-3）式中，为滤波电路的截止频率。设逆变电路的输出频率为f，其最低次谐波电压Uk的频率为，他们与应保持： （3-4）因为只有这样，滤波电路对逆变输出电压基波分量的分压比最大，而对谐波电压的分压比最小，从而保证基波无衰减传输，而谐波（含最低次谐波）被抑制在规定范围内。图3-1 型滤波器本次设计中，f取50Hz，取开关频率20kHz，因此的取值可以是1000Hz。3.2.2 滤波器参数选择（1）的选择 将根据滤波器的滤波能力选择，所谓滤波器的滤波能力Bo指谐波电压通过滤波器的衰减率，也就是滤波器对谐波的分压比。 （3-5）式中，和分别是滤波器出端和入端最低次谐波电压幅值。Bo与的关系是 （3-6） （3-7）因此，可按要求求出Bo值和满足要求的从而确定相应的。（2）滤波电路特征阻抗Zo的选择 LC型滤波电路的特征阻抗Zo可表示为 （3-8）而Zo与负载电阻Ro应保持如下关系 （3-9）（3）滤波电路参数选择 由式3-8和式3-9有 （3-10）由式有 （3-11） 根据给定的Ro和确定的联解上面两个式子，设计中可取较大的Lo和较小的Co；也可取较小的Lo和较大的Co，使其乘积不变，但Lo和Co的选取还要考虑下列因素： （1） 对负载电压和逆变电路输出电流的影响：串联电感Lo上的基波压降（即负载电流的基波分量在Lo上的压降）将是负载基波电压产生变化；而并联电容Co的基波电流与负载电流相加将改变逆变电路的输出电流。 （2） 对负载侧功率因数的影响：在纯阻负载时，Co中的基波电流将使逆变桥输出电流增大；但在感性负载下，由于Co中的容性电流与负载中的感性电流方向相反，因此，若Co并不过大时，逆变桥电流反而减小。经计算可知，Lo可取2.35mH，Co可取18uf。3.2.3 负载电阻的参数设计设计条件给出的输出功率为P=1kw，而输出电压的有效值为U=200v，从而根据公式有 （3-12）因此，主电路输出侧负载电阻Ro可知 （3-13）3.2.4 主开关(MOSFET)的选择主开关的选择应考虑电流最大值和电压最大值的152倍的裕量。MOSFET允许的最大电压考虑到输入侧直流电源的电压E（400V）的1.52倍裕量，即为400*2=800V。电路中的输出电流为Io=P/Uo=1000/200=5A,因此所选用的MOSFET能够承受的电流为5*2=10A。3.2.5 驱动器件的设计图3-2 IR2110外围管脚图本次设计的驱动器件为IR2110。如上图所示为IR2110引脚图。3.3 控制电路参数设计3.3.1 积分器参数设计积分器是控制电路中极为重要的一个部分，积分器电路参数主要就是时间常数=RiCi电阻Ri和电容Ci的选择。根据前面的分析，选择积分器的时间常数等于开关周期，则有： （3-14）式中，k为从Vref到Vd的增益。如此可见，开关频率为20kHz，于是有开关周期为50us，k的取值一般为1/41/6,经过计算可取Ri=4.8k，Ci=1.9uf。本次选取的积分器是由运算放大器LM358构建而成的，如图所示。图3-3 LM358引脚图3.3.2 比较器设计本次设计中选用的比较器为LM339，如图所示。图3-4 LM339引脚图图中，1为输出端，2为负输入端，3为正输入端，4接地，5接正电源。3.3.3 触发器的设计本次设计选用的触发器为CD4013，如图所示为CD4013引脚图。图3-5 CD4013引脚图3.3.4 双向电子开关的设计本次设计选择的双向电子开关为CD4016，如图3-6所示。图3-6 CD4016引脚图3.4 本章小结本章主要以恒定开关频率为例，来论述单周期控制技术在单相全桥逆变器中应用的具体参数的计算与器件的选取。在已给定的设计条件下，对主电路滤波器参数设计、输出负载电阻及相应开关器件（如MOSFET）的设计、控制电路积分器的参数设计以及的选取工作进行了安排与落实，为下面的仿真实验工作做好了理论基础准备。第4章 基于单相全桥逆变器单周期控制的系统仿真 第4章 基于单相全桥逆变器的单周期控制的系统仿真4.1 引言前几章中对单相全桥逆变器单周期控制电路进行了理论分析，并给出了详细的参数设计，分析和设计的结果都需要经过计算机仿真和实验进行验证。下面我们先来介绍一下本次设计所用的电路仿真软件PSIM，再对系统进行仿真验证工作。4.2 电路仿真软件PSIM的概述4.2.1 PSIM的仿真环境的介绍PSIM的全称为Power Simulation，意为电力电子仿真软件。它提供了强大的仿真环境，高效、便利的用户接触界面，为电力电子以及电动机驱动系统的设计、数字控制与数值分析带来了诸多方便。PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。 PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。 本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。 4.2.2 PSIM仿真软件的运行阶段主要包括三个阶段:PSIM电路示意性程序、PSIM仿真器、SIMVIEW波形形成过程项目。软件运行时这三个部分依次进行，其流程图如图所示。不同的阶段，有不同的文件类型:PSIM电路示意性程序的输入文件类型为*.Sch;PSIM仿真器的输入文件类型为*.cct、输出文件类型为*.txt；SIMVIEW波形形成过程项目的输入文件类型为*.txt。图4-1 PSIM软件运行流程图4.2.3 PSlM仿真软件的电路结构电路结构分为四个部分:电力电子电路、开关控制器、控制电路和传感器。这四部分之间的关系如图所示:电力电子电路包括变压器、转换装置、联结感应器、谐振分支。控制电路可以控制各种元器件，例如:逻辑元器件(包括flip flop和逻辑门)、非线性元器件(包括乘法器和除法器)以及S域和Z域里的元器件。控制开关的过程为:控制电路产生门信号，此信号通过开关控制器，最后反馈到电力电子电路来进行具体控制。传感器的作用是测量电力电子电路的电流值或电压值，并把所测信号传入控制电路中。图4-2 PSIM电路结构关系4.3 系统仿真为了对系统的控制方案的可行性进行验证，下面进行系统的仿真研究。 仿真参数如下：输入直流电压：V=400V输出滤波电感：Lo=2.35mH输出滤波电容：Co=18uf输出电阻：Ro=40积分电阻：Ri=4.8k积分电容：Ci=1.9nf开