在可再生能源應(yīng)用的逆變器設(shè)計中使用SPWM發(fā)生器

可再生能源仍然是世界范圍內(nèi)的大趨勢。隨著捕獲風(fēng)能、太陽能和其他形式的可再生能源的方法不斷發(fā)展，可再生能源系統(tǒng)的成本和效率對公司和消費(fèi)者都越來越有吸引力。實(shí)際上，2016年，全球?qū)稍偕茉吹馁Y本投資跌到了多年來最低水平，但是卻創(chuàng)下了一年內(nèi)可再生能源設(shè)備安裝數(shù)量最多的記錄。

在用于可再生能源系統(tǒng)的組件中，逆變器是一項(xiàng)尤其關(guān)鍵的系統(tǒng)組件。由于大多數(shù)可再生能源都是通過直流電(DC)產(chǎn)生的，因此逆變器在將直流電(DC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)以有效整合到現(xiàn)有電網(wǎng)中起著關(guān)鍵作用。在混合了不同可再生能源的混合動力系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器至關(guān)重要。

可再生能源逆變器在使用單相和三相電機(jī)及其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工業(yè)應(yīng)用中也起著至關(guān)重要的作用。從逆變器獲得的可變頻率和電壓體現(xiàn)了此類設(shè)備中的自主控制原理。

為了實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，DC-AC逆變器通常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)。這是一種很有用的技術(shù)，其中，功率MOSFET等開關(guān)由可變寬度的脈沖控制。為了獲得自動控制和調(diào)節(jié)，PWM技術(shù)用于將逆變器的AC電壓輸出及其頻率保持在標(biāo)稱值，不受輸出負(fù)載影響。

為了從變頻器控制系統(tǒng)獲得更好的響應(yīng)，已經(jīng)開展了許多研究和開發(fā)了諸多技術(shù)。常規(guī)的逆變器根據(jù)負(fù)載的變化來改變輸出電壓。為了降低輸出電壓對負(fù)載變化的敏感度，基于PWM的逆變器通過改變以較高頻率產(chǎn)生的脈沖的寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。因此，輸出電壓取決于開關(guān)頻率和脈沖寬度，而開關(guān)頻率和脈沖寬度則根據(jù)輸出端連接的負(fù)載的值而變化。通過這種類型的調(diào)節(jié)，逆變器可提供恒定的標(biāo)稱電壓和頻率，不受輸出功率影響。

有多種產(chǎn)生PWM的方法已經(jīng)被研究過。逆變器的效率參數(shù)，例如開關(guān)損耗和諧波降低，是任何調(diào)制技術(shù)評估中考慮的主要因素。因此，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在功率電子中被廣泛用作逆變器設(shè)計的調(diào)制方法。

SPWM逆變器概念

三相橋式逆變器是工業(yè)應(yīng)用中最常用的逆變器拓?fù)?。為了簡化概念，我們分析一下單相版本。單相設(shè)計包括H橋的每個橋臂上的開關(guān)晶體管或IGBT，具有反并聯(lián)續(xù)流二極管，可在開關(guān)關(guān)閉時放電。 其原理圖如圖1所示。

圖1. 這個基礎(chǔ)H橋電路顯示了逆變器的關(guān)鍵組成部分。

晶體管(通常為功率MOSFET)標(biāo)識為S1、S2、S3和S4。切換開關(guān)以使同一橋臂上的兩個晶體管不會同時導(dǎo)通或斷開，從而防止短路。

為了在負(fù)載中產(chǎn)生交流電，晶體管必須成對工作：S1和S2導(dǎo)通，S3和S4斷開，反之亦然。表1列出了不同的開關(guān)狀態(tài)和對負(fù)載施加的電壓。

表1. 此表顯示了開關(guān)的邏輯。

方波逆變器，已知為基礎(chǔ)逆變器，由兩個相位相反的方波運(yùn)行，其頻率等于輸出端所需的頻率。其中一個波施加到S1和S2，另一個波施加到S3和S4。圖2顯示了如果使用這類逆變器，PWM控制信號和在負(fù)載中獲得的電壓。

圖2. 如果使用基礎(chǔ)逆變器，PWM控制信號和輸出電壓如圖所示。

PWM技術(shù)基于恒定振幅脈沖的生成和通過改變占空比對脈沖持續(xù)時間的調(diào)制。參考信號或調(diào)制信號是所需的信號輸出(在逆變器輸出端的電壓波形為正弦波)，載波信號的頻率必須比調(diào)制后的頻率大得多。這是使用正弦PWM(SPWM)作為PWM逆變器的調(diào)制方法的主要原因。

SPWM特性

SPWM基于恒定振幅的脈沖，每個周期具有不同的占空比。脈沖的寬度是通過調(diào)制載波來獲得的，從而獲得所需的輸出電壓并降低其諧波含量。

SPWM的載波信號通常是高頻的三角波，通常在幾kHz內(nèi)。SPWM的調(diào)制信號是一個正弦波形，其頻率等于所需的輸出電壓頻率，通常為50 Hz或60 Hz。

在圖3中，顯示了正弦調(diào)制的簡化示意圖。通過比較正弦波形和三角載波波形來生成開關(guān)信號。當(dāng)正弦電壓大于三角電壓時，比較器輸出為高電平。比較器的輸出脈沖用作剛才介紹的H橋的選通脈沖。

圖3. 該簡化原理圖顯示了SPWM如何產(chǎn)生開關(guān)信號。

為了獲得更好的結(jié)果，三角波形和正弦波形之間的頻率比必須為整數(shù)N = fC/fS，其中fC是載波頻率或三角波，fS是調(diào)制頻率或正弦波。在這種情況下，每個半周期的電壓脈沖數(shù)為N/2。在圖4中可以看到這種效果，其中顯示了三角波、正弦波和PWM輸出波形。

圖4. 三角波形和正弦波形之間的頻率比必須為整數(shù)。

占空比的調(diào)制過程被設(shè)計為調(diào)制指數(shù)m等于或小于1。如果m高于1，那么在三角信號的部分周期中，將不存在載波信號和調(diào)制信號的交叉點(diǎn)。對輸出信號的影響如圖5所示。但是，必須注意，有時會使用一定量的過調(diào)制來獲得較高的交流電壓幅值。

圖5. 有時需要一定量的過調(diào)制以提高AC電壓幅值。

根據(jù)波形質(zhì)量分析SPWM時，必須考慮諧波。SPWM在電壓波形中產(chǎn)生幾個數(shù)量級的不同諧波。 然而，主要的是N和N±2階，而N被定義為fC/fS。如果考慮過調(diào)制，則輸出電壓具有較高的諧波含量，這是在產(chǎn)生較高電壓時的權(quán)衡。通過改變正弦電壓，可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

具有固定振幅和頻率的三角波形，以及具有等于輸出頻率的固定頻率和可變振幅的正弦波形等這些概念，是本文闡述的實(shí)現(xiàn)SPWM發(fā)生器的基礎(chǔ)。SPWM發(fā)生器如圖6的框圖所示。

圖6. 該框圖顯示了SPWM發(fā)生器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方式。

高頻三角波形是產(chǎn)生SPWM信號的必要因素。這項(xiàng)任務(wù)通過有限狀態(tài)機(jī)(FSM)、計數(shù)器和D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，在上圖中被稱為HF三角波發(fā)生器。該發(fā)生器基于AN-CM-265可編程PWM，可產(chǎn)生占空比呈三角變化的PWM。由于需要三角波，因此應(yīng)用低通濾波器來消除方波的很高頻率。

使用GreenPAK模擬比較器將該三角波形與外部50或60 Hz低壓正弦波形進(jìn)行比較。通過該比較，可以如前一節(jié)所述實(shí)現(xiàn)PWM的正弦調(diào)制。最后，使用逆變器為SPWM輸出生成互補(bǔ)信號。

圖7. SPWM發(fā)生器的輸出連接到H橋。

如圖7所示，SPWM輸出及其互補(bǔ)信號連接到同一橋臂的每個晶體管。H橋的輸出包含一個LC濾波器，從而對SPWM的高頻分量進(jìn)行了濾波，最后，將50或60 Hz的正弦波施加到負(fù)載。

實(shí)現(xiàn)SPWM發(fā)生器

SPWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)基于Dialog半導(dǎo)體公司的SLG46826V，它是一種可配置的混合信號IC(CMIC)，其中包含F(xiàn)SM數(shù)字計數(shù)器、高速模擬比較器和高頻振蕩器。這使該CMIC能夠用于生成所需的三角波形和正弦調(diào)制。

如上面所述，高頻三角波形發(fā)生器基于AN-CM-265可編程PWM。圖8中顯示了在GreenPAK Designer軟件中實(shí)現(xiàn)該發(fā)生器。

圖8. 三角波形發(fā)生器在GreenPAK Designer軟件中的實(shí)現(xiàn)。

發(fā)生器使用內(nèi)部25 MHz振蕩器，并配置為12.5 MHz的輸出頻率。該時鐘與宏單元CNT1和CNT2相結(jié)合，生成具有所需占空比的相應(yīng)方波。

通過這種配置，三角波的周期為1 ms，因此可獲得1-kHz三角波。在此設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了50 Hz SPWM逆變器，但可以通過更改三角波形的周期將其修改為60 Hz或其他頻率。

具三角變化的高頻PWM連接到PIN 16，并連接了相應(yīng)的外部低通濾波器。該濾波器基于一階RC濾波器，具有1.5 k?電阻和10 nF電容器，因此該濾波器的截止頻率為10.6 kHz。

濾波器的輸出(如圖6所示)連接到高速模擬比較器ACMP0H。ACMP0H的配置如圖9所示。

圖9. 高速模擬比較器的這種配置顯示了奇數(shù)輸出控制。

該配置用于比較PIN 20和PIN 3之間的電壓。為了獲得最佳性能，必須禁用hysteresis和帶寬限制選項(xiàng)。因此，必須將一個低壓正弦波形發(fā)生器連接到PIN 3，以便獲得正弦PWM調(diào)制(圖10)。

圖10. 該框圖顯示了實(shí)現(xiàn)正弦PWM調(diào)制的調(diào)制器。

為了生成針對PWM輸出的互補(bǔ)信號，將3-L1查找表配置為邏輯逆變器。最后，PWM輸出連接到PIN 5和PIN6。由于PIN 8和PIN 9連接到GreenPAK芯片的I2C模塊，因此有必要使用上拉電阻將它們連接到VDD。整個SPWM實(shí)現(xiàn)圖如圖11所示。

圖11. 這是SPWM發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的完整視圖。

測試SPWM的實(shí)現(xiàn)

為了測試SPWM的實(shí)現(xiàn)，我們組裝了整個系統(tǒng)，并使用示波器進(jìn)行了分析。50 Hz正弦波信號是由功能信號發(fā)生器產(chǎn)生的，具有相應(yīng)的振幅和偏移，可以將其直接連接到SLG46826V CMIC。整個系統(tǒng)如圖12所示。

圖12. 用于測試SPWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)的整個系統(tǒng)。

本文討論了SPWM發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)，SPWM發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)常用于電機(jī)控制和可再生能源等應(yīng)用的功率逆變器的最廣泛使用的方法之一，本文包括了SPWM生成的每個步驟，以及如何在輸出端進(jìn)行連接和濾波。