UPS电源的SPWM控制技术

2010-07-25李珺乔鸣忠

船电技术 2010年11期

李珺乔鸣忠

（海军工程大学电气与信息工程学院，武汉 430033）

1 引言

UPS电源又称不间断电源，它一般置于市电电网和用电负载之间，目的是改善对负载的供电质量,并在市电故障时，保证对负载设备的正常供电。一般的UPS电源工作原理都是先经过整流部分对输入电压进行整流，然后通过逆变单元进行逆变。因此需要UPS电源在经过逆变后提供高品质的电源，这样逆变部分的控制技术就显得尤为重要。目前，UPS电源逆变部分大都采用SPWM调制技术，其特点是波形畸变率相较于一般PWM控制技术要低[1]。

SPWM 调制技术的实现主要依赖于数字信号处理芯片，然而数字信号处理芯片对于SPWM调制中的死区控制、窄脉冲处理等软件实现较为复杂。本文采用了一种控制极其简单的单片机芯片来实现SPWM的调制技术，并且采用一种简便的硬件方法实现SPWM的死区控制。

2 逆变电路的基本工作原理

逆变电路部分采取 H桥型结构，S11、S12组成一个桥臂，S21、S22组成另一个桥臂；

当 S11、S22为 1时，Uo=VDC，当 S12、S21为1时，Uo=-VDC。结构原理图如图1所示。

图1 H桥型逆变电路原理图

3 SPWM波形及死区的产生

3.1 SPWM波形产生原理

三角波载波调制方式原理[2]。

对于H桥型逆变器，有上下两个载波，本文采用载波为三角波的SPWM方式。

三角波调制是采用三角载波层叠方式[3]。这种方式是由两电平PWM方式直接扩展而来，由两组频率和幅值相同的三角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波。以单桥臂为例，当调制波的正半波幅值大于上层载波时，输出电平为‘P’；输出电压为+UD/2；而当调制波的负半波幅值小于下层载波时输出电平为‘N’，输出电压为-UD/2；其它情况下输出为‘O’，输出电压为 0。载波层叠法的原理如图2所示，图中采用的是自然采样方式，Uref表示调制波，Uc表示调制波。

图2 三角载波层叠 PWM 原理图

在实际控制过程中，为了便于数字化实现，在一个载波周期Ts（开关周期）内，采用对称规则采样方式。所谓规则采样方式是以每个三角波的顶点或底点所对应的时间作为采样时刻。过三角波的对称轴与正弦波的交点，作平行t轴的平行线，该平行线与三角波的两腰的交点作为SPWM波的“开”和“关”的时刻，这两个交点是对称的，这里选择上下桥臂调制波互差180°。图3中是表示在同一采样周期里对上下桥臂的驱动信号进行采样，Ta为S11导通时间，Tb为S22导通时间，Ts为采样周期；图4中Ta为S12导通时间，Tb为S21导通时间。

这种方法实际上是用以多个阶梯波去逼近正弦波。由于在每个三角波周期中每个桥臂驱动信号只采样一次，使得计算大大简化[4]。

3.2 死区的产生

由于使用硬件产生死区比较方便，同时还可以根据开关管的要求改变死区时间大小，因此在此处使用硬件电路产生死区。

产生死区原理：

产生死区电路原理就是利用RC延时电路和与门产生死区，具体实现原理图如图5。

工作原理图如图6所示，当信号经过RC延时之后，电压上升至与门默认高电平UHI有一段时间tp=tb-ta=td-tc；tp即为死区时间，式( 1 )-式( 3 )列出了tp的计算方法，可以得出死区时间可以根据R、C的数值的变化而变化。

图3 调制波正半周采样原理图

图4 调制波负半周采样原理图

图5 实现死区硬件原理图

图6 死区时间计算原理图

4 软件设计

软件设计的总体思路是：利用单片机C0851F的I/O口作为SPWM波形输出[5]，在采样周期内根据采样值从I/O口输出高低电平，总体设计流程图如图7所示。

图7 程序流程图

5 仿真及实验结果分析

为了验证所设计的方案能正确地产生SPWM波形，本文对设计方案用MATLAB进行了仿真分析及实验验证，仿真模型为H桥逆变器模型，直流母线电压 300 V，调制比 m=0.5，调制波频率为50 Hz，载波频率为1 kHz，死区时间为6 µs。图8为仿真模型输出电压波形及其基波电压波形。图9为输出波形各次谐波的大小曲线图。

为了进一步验证设计方案的正确性，本文在实验室进行了实验，所选参数与仿真参数相同，图10为输出电压波形电压每格300 V，时间每格10 ms。