基于DSP的三相高频逆变器

李 维，陈辉明

(浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

随着电力电子技术的不断发展与进步，对电源的输出频率、工作可靠性和效率等方面的要求进一步提高[1]。在高频逆变器工作过程中，为了改善电源质量、提高电源效率，常常使用串联谐振式的补偿方案，使逆变器工作在功率因数等于或接近于1的谐振或准谐振状态，要求逆变器能自动跟踪负载的固有谐振频率[2]。传统的锁相环通常采用集成芯片CD4046，但是以CD4046控制芯片为控制单元的系统存在着一定的不足[3]，PLL电路可能会出现失锁的现象。

电磁抹拭(EMW)装置尚处于研发阶段，本研究根据电磁抹拭的技术机理[4]，提出三相高频逆变器的解决方案，采用串联谐振式的补偿方式，设计以数字信号处理器TMS320F28035为核心的闭环控制系统;同时通过实验样机的制作与实验，验证控制方案设计的正确性。

1 系统结构

本研究基于电磁抹拭装置而提出的三相高频逆变器结构图如图1所示[5-8]。

图1 三相高频逆变器拓扑结构图

该系统主电路主要包括三相AC/DC不控整流桥，电压型三相逆变桥，负载高频匹配变压器T，谐振电容C以及三相负载感应线圈L。逆变器选用英飞凌公司的IGBT模块。控制电路主要包括数字信号处理器DSP TMS320F28035核心的控制电路，信号采集与调理电路以及PC929光耦隔离触发驱动电路。

2 控制系统分析与设计

高频逆变器工作在容性状态时，特别是在开关管大电流关断的情况下，二极管的反向恢复会比较严重，在桥臂间的引线电感上引起很高的Ldi/dt，导致开关管过压击穿，因此，这种情况会极大的降低电源的可靠性。而工作在感性状态时，二极管自然换流，IGBT在零电流下开通，开通损耗较小[9]。

基于以上情况，本研究设计的控制结构框图如图2所示。

图2 控制系统结构原理图

传递函数框图如图3所示。

图3 传递函数框图

逆变器主控制方式采用双环结构，电流环与内部数字锁相环。逆变器输出高频电流经过采样调理电路得到A相输出电流幅值Iao，给定电流值If与Iao的差得到输出电流误差信号，经过控制器Gc1(s)，限幅输出作为相位内环的相位给定值θf。内部锁相环采用平均值锁相方式，即将输出电压相位脉冲信号移相90°，与输出电流脉冲信号经过异或门输出，经滤波之后得到相位信号θa，θf与θa的差得到相位误差信号，经过控制器Gc2(s)，限幅输出给压控振荡器(VCO)，输出脉冲驱动信号。

为了使三相都工作在感性状态，本研究在双环的基础上添加了一个限相环。限相环的工作原理如下:随着逆变器输出频率的降低，输出电流增加，当任何一相的相位信号即将进入容性状态或超出了限相值θmax时，限相环输出θL，使逆变器的输出频率增加，直到电路达到新的平衡，从而有效地防止逆变器进入容性状态。

电路正常工作过程如下:电路启动时，系统工作在最大频率，逆变器输出三相电压，电路几乎工作在全感性状态，此时输出电流很小。当增大给定电流参考并超过输出电流幅值时，经过双环作用，使系统的输出频率降低，输出电流增大，直到电路任何一相工作在谐振或准谐振状态，此时输出电流达到最大值;反过来，当给定电流参考减小并低于输出电流幅值时，系统的输出频率增加，使输出电流减小，直到输出频率为系统固有输出频率最大值，此时电流达到最小值。

2.1 控制器设计与数字化

本研究的控制器设计采用PI控制器，为了在DSP中实现该算法，本研究采取双线性变换[10]对补偿器进行离散化。对于PI控制器，有:

在该设计中控制器参数如下:

2.2 软件设计

系统利用TMS320F28035中的EPWM模块产生6路IGBT驱动信号，三相驱动信号互差120°，由死区控制寄存器实现死区控制。系统主程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

3 实验及结果

本研究根据如图1所示的结构设计并制作了一台实验样机，部分参数如下:输入电压为三相交流电220 V，额定输出功率10 kW，系统谐振工作频率为33 kHz。逆变器输出电压、电流波形如图5所示。

图5 输出电压电流波形

从图5中可以看出，当三相负载不平衡时，通过限相环的作用，当B相达到准谐振状态，即B相相位被锁定在限相值，系统的谐振频率不再降低，A、C相工作在感性状态，此时IGBT零电流开通。

4 结束语

本研究设计并制作了一台三相高频逆变器，根据串联谐振式负载的特性，提出了采用DSP作为核心控制芯片的数字控制方案，并详细给出了其控制策略。

理论研究与实验结果表明，该控制策略实现简单，能有效地跟踪负载的谐振频率，并且实现开关管的零电流开通;系统工作稳定可靠，能有效调节逆变器的输出功率，是一种比较实用的解决方案。

该方案可以为相关的系统研究提供参考。

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