单相正弦波变换器的设计与仿真

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(1.西京学院，西安 710123；2.西安弘传科技开发有限责任公司，西安 710001)

0 引言

随着电力电子技术﹑计算机技术﹑自动控制技术的迅速发展，变频器技术之源成为目前发展最为迅速的技术之一。逆变是变频器技术的核心。方波输出的逆变器效率虽然高，但对于都是为正弦波电源设计的电器来说，还是存在诸多问题，要么不适用，要么用起来电器的性能会变差，因此研究输出高质量正弦波的变换器就显得十分重要。

正弦波变换器应用非常广泛，尤其是在不间断电源(Uninterruptible Power Supply， UPS)中，它主要用于那些对交流电质量要求比较高的场合，如银行﹑证券交易所的计算机系统，医疗设备，办公自动化设备(Office Automation)等等。目前有很多设备采用DC/DC(或AC/AC)变换器升高到一个较高的电压等级，再用DC/AC(或AC/AC)变换为所需交流电压，然后并网或供给负载[1]。这种方式结构复杂﹑保护要求高并且实施控制难度大。

本文在低频脉宽调制技术的基础上，采用TMS320F2812DSP单片机控制输出高频PWM信号，调制得SPWM脉冲序列，滤波升压后获得高品质正弦波；驱动电路采用体积小、可靠性高的M57959L模块；用放电阻止型RCD缓冲电路作过压保护，并且在逆变输出处加LC带阻滤波器来减小载波频率谐波的影响，再经RLC低通滤波器，保证正弦变换器输出高质量正弦波，给出了仿真及实验结果。

1 主电路拓扑及SPWM产生原理

图1 正弦变换器主电路结构框图

图2 单极倍频SPWM调制原理图

在这里SPWM的具体实现，参考文献2中基于模型目标代码自动生成的方法，TMS320F2812DSP为控制芯片，用Target Support Package T2建立SPWM控制模型，在Simulink环境下进行算法仿真并生成代码，最后下载到控制芯片DSP中运行，实现起来简单方便[2]。

2 逆变器的驱动与保护

2.1 驱动电路

随着电子科技的发展，电子元器件集成化越来越高，综合考虑实现快捷、生产成本、变频器性能和体积等因素后，本文采用M57959L型IGBT驱动模块[3]。IGBT驱动电路连接图如图3所示，IGBT控制信号由13引脚输入，经隔离放大后送给功率管栅极，并且模块内部设有保护电路，若工作时发生过流时，8引脚就会输出故障信号，送给控制器DSP，然后由DSP做相应控制处理操作。

图3 IGBT驱动电路连接图

2.2 过电压保护

IGBT开关速度快，保证了变频器的高频化的同时也带来了很高的、并引发关断浪涌电压。过电压保护电路也称缓冲电路，是逆变器的重要部分。本文采用放电阻止型缓冲电路[4]，如图4所示。

图4 放电阻止型缓冲电路

放电阻止型缓冲电路对关断浪涌电压有很好的抑制作用，最适合高频交换用途。

关断浪涌电压的峰值VCE和阻值分别如下

VCE=Ud+VFM+(-Ls×dIc/dt)

(1)

缓冲电路中缓冲电容器电容值为

缓冲二极管应选瞬态正向电压低、反向回复时间短、反向恢复平顺的二极管。

3 滤波器

滤波器是输出电压为正弦波的检验设备，逆变输出电压的傅里叶展开式为

(2)

式中，m—幅值调制比，0≤m<1；ωs—调制波角频率；ωc—载波角频率；k=1，2，3…。

式(2)中的第1项为基波成分，幅值为Udm；第2项为谐波成分，把它定义为Q。根据贝塞尔公式[5]

将式子Q展开得

(3)

图5 滤波器原理图

4 实验结果

单极倍频SPWM控制的正弦变换器仿真参数[8]：额定容量1.5kVA，输入电压24V DC,输出电压220V/50Hz,变压器匝数比N1∶N2=1∶11，开关频率40kHz，逆变桥功率开关驱动信号如图6所示；逆变器输出电压波形如图7所示；正弦变换器输出电压波形如图8所示；FFT谐波分析图如图9所示。总谐波畸变率THD=0.24%,输出电压波形正弦性很好，证实了该设计方案的可行性。

图6 逆变桥功率开关驱动信号

图7 逆变器输出电压波形

图8 正弦变换器输出电压波形

图9 FFT谐波分析图

5 结语

本文分析了单极性倍频SPWM调制原理，用TMS320F2812DSP单片机作为控制芯片实现了工作频率的高频化﹑控制技术的数字化；IGBT驱动电路采用闭环控制方式和模块化结构，有效地提高了正弦变换器的可靠性，减小了装置体积；高频正弦变换器中设置了过流保护电路和过压保护电路，提高了变换器工作可靠性，并且用LC带阻滤波器和RLC低通滤波器进行双重滤波，保证变换器输出为高品质正弦波。

本文介绍了一种电动机控制使用的功率正弦变换器的实现方法，详细地说明了主电路设计与实现，并通过仿真和实验证实了所提方案的正确性。

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社，2010.1.

[2] 韦保泉，胡文华.单相桥式逆变器SPWM目标代码自动生成研究[J].电力电子技术，2009.11.

[3] 赵占西，李峥，赵建华.IGBT驱动模块EXB841和M57959L的分析[J].机电一体化，2008.

[4] 陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].机械工业出版社，2003.11.

[5] 陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].中国电力出版社，2007.7.

[6] Chen Xiyou,Yan Bin,Gao Yu.The Engineering Design and Optimization of Inverter Output RLC Filter in AC Motor Drive System[C].IEEE2002,28th. AnnualConference,Sevitla,Spain,2002:175-180.

[7] 贺映光，任小洪，方刚，等.单相PWM逆变器输出滤波器优化设计[J].电气传动，2010.