基于SVPWM的三相正弦逆变器的研究与设计*

田锡禄，宁 媛

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

研究并设计了SVPWM控制的三相正弦波逆变器，将单相工频电转化成可供三相电气设备使用的三相可调交流工频电。通过软件系统的调试与硬件系统的调试，表明该设计方案可行。

1 系统方案设计

系统主要有TMS320F28335控制板、APFC有源功率矫正器、FSBB20CH60F逆变板、驱动电路、检测电路及辅助电源，系统原理框图共有六部分，如图1所示。

系统中AC－DC部分，采用具有功率因素校正功能的不可控整流和boost电路的组合，具有功率因素高，改善网侧电流谐波，输出电压可调的特点。DCAC部分采用集成功率模块FSBB20CH60F，其内部集成三相全桥IGBT及反并联二级管，门极驱动控制，上桥臂自举电源，故障检测和多种保护电路，有利于提高设计的稳定性和功率密度。而控制方案灵活多变，采用的DSP28335作为主控芯片，它有150 MHz的高速处理能力，32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，18路的PWM 输出，6路TI特有高精度PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。调试软件选用CCS4．0。

图1 系统设计框图

2 有源功率因数校正器(APFC)

常用不可控整流功率因数可达0．9，但它的电流严重畸变，产生谐波。用单相有源功率因数校正器整流，功率因数很高接近于1，采用ST公司的L4981B来实现功率因数校正［2］。其内部有乘法器。通过检测交流侧输入电压，求取其标幺值。跟输出的直流反馈电压与参考电压的误差相乘，得到直流侧输出电流的参考值。由内置的比较模和PWM模块产生PWM来开通(输出直流电流小于参考值)或者关段(输出电流大于参考值)boost电路的MOSFET开关，这样交流侧电流波形跟踪交流侧电压的波形，降低谐波，实现功率因数等于1。

3 SVPWM

3．1 SVPWM 原理

SVPWM(Space Vector PulseWidth Modulation)是一种使用比较广泛的PWM控制。

SVPWM控制目标是三相对称电压作用于三相对称电机定子时，产生的实际磁链跟踪理想的三相电机定子磁链圆。根据电机电磁矢量与电压矢量的关系，如式(1):

当电机的转速很高时，定子电阻压降在式中所占的成份很小，式(1)可写成式(2):

电压矢量和磁链矢量的关系为互差90°的关系，所以电压空间PWM也就是控制电压空间矢量为标准的圆形，也就是产生三相标准的正弦电压。空间电压矢量与开关状态的关系如图2所示［4］。

图2 开光状态和空间电压矢量对应关系

如图2所示基本的八个开关状态把空间电压矢量分为6个区域，任意落在这些区域的空间电压矢量U都可以通控制相邻两电压矢量的作用时间来产生。图2的开关状态第一位表示第一桥臂状态，第二位表示第二桥臂状态，第三位表示第三桥臂状态;1表示同一桥臂上面开关导通，0表示同一桥臂下面开关导通。与图3的开关对应。

图3 三相全桥IGBT开关分布

3．2 SVPWM产生的方法

根据电压空间矢量线性组合，在DSP中实现开关状态的实时计算产生出七段式的PWM［5］，给驱动电路实现逆变。

(1)Clark变换

三相参考电压Clark变换成两相如式(3):

(2)判断扇区位置

判断输出电压的扇区号如式(4):

式中:N=4sign(vref3)+2sign(vref2)+sign(vref1)，N与扇区号对应关系如表1。

表1 N与扇区的对应关系

(3)计算时间中间变量X，Y，Z如式(5)。

(4)计算矢量作用时间T1，T2如表2。

表2 相应扇区对应的相邻两电压矢量作用时间

(5)计算开光切换时间Ta，Tb，Tc如式(6)。

(6)由Ta，Tb，Tc求在一个开关周期开关导通时间如表3。

表3 相应扇区对应桥臂的作用时间

(7)由表3中每个开关作用时间可以产生PWM，而同一桥臂的另一开关状态与之互补。

3．3 SVPWM逆变器的优点

(1)三相逆变电路可实现调频调压，并且响应时间快不受滤波和负载的影响。

(2)SVPWM逆变电路相比SPWM逆变电路的电压利用率高15%。并且每次切换开关时只有一个开关切换，所以开关损耗小。

(3)SVPWM算法简单，便于数字化实现。

(4)AC/DC部分采用了功率因数校正器，整流环节工作在单位功率因数。

4 硬件电路

4．1 AC－DC功率因素校正器

功率因数矫正器(APFC)主电路采用具有升压功能的boost电路，控制电路采用ST公司的L4981B PFC控制器［1］，支持输出功率4．0 kW 以上，开关平率达到200 kHz，驱动电流达到2 A，用于单相电压范围80～275 VAC，其中有欠压，过压，过流，开关频率可调，上电软启动功能。主电路采用两个整流桥MOSFET并联，增大驱动功率。其主电路如图4，驱动电路如图5。

图4 APFC主电路

驱动电路 G1，G2驱动信号给主电路 GATE1，GATE2;DCN，DCP，DCN0，DCP0 分别与主电路对应点连接;PFCCON是可编程欠压输入端。

4．2 逆变部分

4．2．1 智能功率模块FSBB20CH60F

其中内部包含三相全桥IGBT电路，具有驱动电路，上桥臂自举电源，故障输出，短路电流保护的功能，内部驱动电源15供电，外部只要处理器给3．3 V/5 V驱动信号，其外部电路可根据数据手册和实际需要设计。

4．2．2 光电隔离驱动电路

因为DSP的驱动电流有限只有4 mA，这里采用3．3～5 V缓冲芯片SN54CT224，以增加驱动能力保护DSP。用HCPL－4504高速光耦实现强弱电隔离保护DSP不受强电的破坏。

5 SVPWM程序控制

SVPWM控制算法是实现三相全桥逆变电路的核心算法，由DSP产生波形，经过SN54HCT224转黄成5 V后，再经光电隔离电路输出，最后给SPM内置驱动电路端口。TMS320F28335进行图6的计算，用DSP内置PWM发生功能产生PWM波。图7为Simulink仿真波形。

图6 SVPWM算法流程框图

图7 Simulink仿真波形

6 检测结果

搭建上述算法和原理的Simulink模型［3］，并测得到波形如图7。

搭建APFC与SPM的串联逆变硬件电路用示波器实测A相电压电流波形，如图8。

图8 实测波形

7 结语

有源功率因素校正器与智能功率模块串联逆变，功率因素高，电流畸变小;从波形看开机有冲击电压，应先打开APFC部分，等0．1 s后再开始打开逆变部分;由于开环运行所以相电压有效值183 V没达到理想220 V，要取得更好的控制性能可采用闭环调节;SVPWM可方便地实现逆变、调压、变频;从波形可以看出仿真与实际具有较好的一致性;SVPWM控制算法在硬件平台上得到验证。

［1］ 王 晗，杨喜军．大功率单相数字 APFC的研究与实现［D］．上海:上海交通大学，2009．

［2］ 林渭勋．现代电力电子技术［M］．北京:机械工业出版社，2006．

［3］ 林 飞，杜 欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真［M］．北京:中国电力出版社，2008．

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

［5］ 李 瑾，吕树清，陈显彪．两种基于DSP的SVPWM波形实现方法［J］．湖北工程学院学报，34(3):17－19．