基于DSP组合式变频器的设计

王小双，赵 静

（西安通信学院，陕西 西安710106）

0 引 言

目前航空变频电源领域应用最广泛的是基于交－直－交变换的通用变频器和交－交变频器。通用变频器具有单向功率流、强迫换流和输入功率因数低等缺点；交－交变频器主要包括相控式和矩阵变频器，这两种变频器虽然具有各自的优势和特点，但是都存在各自的缺陷，如可靠性、体积和成本等［1］。本文采用基于DSP的数字化控制技术，通过将三相电压型PWM整流器、高频链逆变器和周波变流器级联组合设计了一种新颖的航空变频器，具有功率双向流动、体积小和高可靠性等优点。

1 变换器的系统构成

本文采用的方案可简化为“AC／DC—DC／AC—AC／AC”三级功率变换来实现变频变压。其中前级“AC／DC”采用三相PWM整流器代替传统的相控整流器；后级“DC／AC－AC／AC”通过设置高频链全桥逆变电路，实现了周波变换器的ZVS；采用DSP的SVPWM闭环控制，实现了变频器两级协调工作。

变换器主要由以下几个部分构成：输入整流及滤波器、逆变电路、高频变压器、周波变换器、输出滤波电路。辅助电路包括：辅助电源、DSP控制电路、保护电路。电路结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 工作原理及工作过程

级联组合式周波变换器共分三级功率AC／DC、DC／HFAC和HFAC／LFAC。功率主电路拓扑如图2所示。

图2 系统功率主电路

工作过程如下：三相市电经PWM整流器整流并实现网侧单位功率因数校正；逆变桥通过高频开关切换，将直流输入电压逆变成双极性三态高频交流脉冲电压，进入高频变压器实现电气隔离并将其调整至所需的电压幅值，周波变换器通过工频变换再将其变成工频SVPWM波，最后经过输出滤波电路形成纯净的正弦波。

DSP计算并输出PWM整流器的开关控制信号和周波变换器的开关控制信号，经过驱动电路功率放大后驱动各个开关管，使之协调工作。DSP还实时采集、检测输出的电压和电流，经过数字PID计算后不断调整整流器的输出电压以及后级周波变换电路的占空比，在负载变动时仍能保证输出稳定的电压。

高频逆变环节主电路采用全桥逆变和周波变换器级联组合。在控制方式上，前级采用PWM控制技术产生三电平正负电压脉冲波，其具有周期性的零电压区间，为后级周波变换电路提供零电压开关条件；后级周波变换电路采用基于SVPWM技术的PWM同步控制方式，通过DSP控制实现［2，3］。控制周波变流器的开关与高频变压器原边电路同步工作，保证在零电压条件下进行换流。

周波变换器的输入电压Uin以零电压为基准，一个开关周期中的电压分解为大于零的电压U1和小于零的电压U2两个电压。因此，周波变换器看作是两个逆变器的反向连接，如图3所示。

图3 周波变换器的解耦电路结构

（1）在t0～t1时间段内，周波变换器的输入为正电压U1，此时，要想有能量传递，则必须有周波变换器向下导通的开关流通才可以。所以在这种状态下，参加工作的开关管组成一个逆变器M1。

（2）在t2～t3时间段内，周波变换器的输入为负电压U2，此时，要想有能量传递，则必须有周波变换器向上导通的开关流通才可以。所以在这种状态下，参加工作的开关管组成一个逆变器M2。

（3）在t1～t2和t3～t4时间段内，输入为零，这个时间段为相间续流状态。

对于周波变换器实际结构，输入电压不能被短路，输出电压不能突然开路。按此规则，主电路有12种工作状态。工作状态如表1所示。其中“＋1，＋2，＋3”，和“－1，－2，－3”六个状态表示输入电压为正电压，逆变器M1处于工作状态，M2不工作。“＋4，＋5，＋6”和“－4，－5，－6”六种状态表示输入电压为负电压，逆变器M2处于工作状态，M1不工作。每种工作状态下的输出电压和电流基本量相等，其中，UCD表示后级周波变换器的输入电压，uAB，uBC，uCA分别表示三相输出线电压。

表1 主电路工作状态表

基于以上的分析，在对电路进行调制和控制的时候，就可以在不同的工作状态下，将周波变换器看作三相逆变器M1或M2进行分析，将周波变流器的设计间接转化为普通的三相逆变器的设计。

3 系统控制电路设计

控制电路结构如图4虚线部分所示。通过DSP对反馈的电流、电压信号进行运算控制，输出调制深度和PWM信号到CPLD，CPLD输出相应的前后级触发信号，再通过隔离与驱动电路输出给整流电路、逆变器和周波变换器；过流、过压保护电路给DSP提供保护信号，在出现过流、过压的情况下封锁触发信号。

图4 控制系统结构框图

3.1 PWM整流器控制

电压型PMM整流器设计具体包括交流输入电感的选择、输出滤波电容、控制方法等［4］。

本文PWM整流器采用基于空间矢量控制策略。PWM整流器通过三相电流环运算获得空间指令电压矢量，然后通过空间电压矢量的合成，使实际的空间电压矢量逼近指令电压矢量，以达到电流控制的目的［4］。

3.2 后级周波变换器同步控制

由于三相整流和三相周波变换器都是闭环负反馈系统，因此全桥高频逆变器驱动波形可设定为一个简单的输出具有死区的方波脉冲。全桥方波的两路驱动信号可采用T MS320LF240中T1和T2的内部定时器和比较器得到。

由全桥周波变换器的工作过程可知周波变换器的PWM信号正好和三相逆变器的SPWM信号相反。其设计思路是：先对经过周波变换器的两个逆变器分别进行SPWM调制，然后对两个逆变器的SPWM驱动信号进行逻辑组合，再将结合后的驱动信号作为双向交流开关的驱动信号对周波变换器进行控制，如图5所示。

图5 周波变换器的信号产生波形

考虑到本系统前级三相整流电路所用的控制方法是基于SVPWM的PWM调制，因此后级三相全桥周波变换也可以应用这一控制方法，从而简化控制系统软件和硬件的设计。

4 变换器的实验验证

采用如上所述电路结构和控制策略，研制了三相航空交流电源原理样机，输入为交流380 V／50 Hz市电，输出相电压有效值为115 V，输出频率400 Hz。输出功率为1 000 W。

整个变换器额定功率下阻性负载时三相输入电压波形如图6（a）为三相输出电压波形；图6（b）为A相在相同条件测得输出电压波形。

图6 变换器三相输出电压波形（50 V／div，0.5 ms／div）

从图6中可以看出，三相负载带平衡阻性负载时，输出电压满足幅值相等、相位互差120°的关系，输出电压波形质量较高，系统具有较高的动静态性能。

5 结 论

本文研究了基于级联组合的周波变换器的电路拓扑、相关技术，及其控制策略等问题。设计的航空变换器能使输入功率因数达到0.9以上，输出正弦波电压。此外，还可以实现功率双向流动，体积小、效率高，符合模块化发展方向，具有较高的实用和参考价值。

［1］ 张崇巍，张 兴.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 陈道炼.静止变流器［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

［3］ 李建霞.单相／三相矩阵式高频链逆变器数学模型和控制方法研究［D］.秦皇岛：燕山大学硕士学位论文，2007.

［4］ 黄科元，贺益科.三相PWM整流器空间矢量控制的全数字实现［J］.电力电子技术，2003，37（3）：79－80.