基于HPWM调制技术的车载逆变器设计

李　栋，易映萍，谢　明，肖　飞(.上海理工大学，上海00093；.许继集团有限公司，河南许昌46000)

基于HPWM调制技术的车载逆变器设计

李栋1，易映萍1，谢明1，肖飞2
(1.上海理工大学，上海200093；2.许继集团有限公司，河南许昌461000)

介绍HPWM调制技术工作原理，并基于HPWM调制技术设计了纯模拟控制的大功率车载逆变器。该车载逆变器采用了DC/DC和DC/AC两级变换结构，并且此逆变电源采用了纯模拟方案。阐述了基于HPWM调制技术的车载逆变器的工作原理，给出了实现后级ZVS的条件，对两级变换电路设计进行了详细介绍。实验结果表明，此逆变电源设计合理、运行稳定可靠。

HPWM；车载逆变器；ZVS

车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器，成为常备的车用电子装置用品。大功率的车载逆变器通过电瓶，将产生稳定工频交流电。车载逆变器作为常用设备，500 W以上的大功率较为少见，并且多数大功率的车载逆变便器有成本高、稳定性差等缺点[1]。车载逆变器作为汽车上的电能转换设备，效率和安全是尤为重要的，降低损耗和减少谐波则是实现高效能和安全可靠的重要指标。本文设计的车载逆变器基于HPWM调制技术，该调制技术具有较低谐波和较少开关损耗的优点，结合本文所使用的拓扑结构可以实现零电压开关(ZVS)，从而减少开关损耗[2]。

1 HPWM调制技术

H桥逆变器是逆变器中广为使用的拓扑结构，基于H桥逆变器的主要调制技术有：(1)双极性PWM(BPWM)：因为容易实现，所以使用较为普及，但是其谐波含量较多并且难以滤除，这些缺点将对车载逆变器的安全和可靠性带来较大影响。(2)普通单极性PWM(UPWM)：该控制方式相对BPWM有较少的谐波分量和较少的开关损耗，但是阻感负载下由于换流时UPWM调制技术下的桥臂不工作与调制状态，将使谐波分量增加，并且该调制技术会使功率开关管的寿命不均等[3]。

为了克服以上缺点，本文提出新型的调制技术混合性SPWM(HPWM)，该调制技术本质上仍然是单极性PWM调制技术。HPWM调制技术具有开关损耗小、阻感负载换流时桥臂处于可控状态、谐波分量少、开关管寿命均衡等优点。BPWM调制技术、UPWM调制波形、HPWM调制波形分别如图1所示。

图1　BPWM调制技术、UPWM调制波形、HPWM调制波形

本文使用Matlab/Simulink仿真，对三种调制技术进行仿真验证。

H桥逆变器的主要仿真参数如下：阻感性负载：电阻负载10 Ω，电感0.5 mH；LC滤波器：滤波电感0.6 mH，滤波电容0.47 μF；直流输入电压360 V；载波频率20 kHz；调制波频率50 Hz；输出电压280 V。

仿真结果如图2所示。

图2　仿真结果

通过仿真验证了以上所述内容，而UPWM的谐波分量比HPWM高也正是因为UPWM在换流逝桥臂处于不可控所带来的影响。

2 电路拓扑结构和工作原理

前级的DC-DC升压电路选取推挽电路作为前级电路的拓扑结构。推挽电路具有很好的对称性。推挽电路典型波形如图3所示。

图3　推挽升压电路理想波形

由图3可知推挽电路具有4种工作状态，由于对称性，本文只对t0-t2工作状态进行分析[4]，工作状态如图4所示。

图4　推挽升压电路状态

[t0，t1]状态1：开关管S1开S2关，绕组N1有电流流过，感应电压。绕组N2有电流输出，能量向负载输出。S2上的电压为2V1。状态1电路如图4(a)所示。

[t1，t2]状态2：在t1时刻开关管S1关断，开关管在t1-t2内全部关断，绕组N2不产生电压，滤波电容支撑负载电压。使用RC电路消耗漏感能量，从而避免开关管的尖峰电压。状态2电路如图4(b)所示。

后级采用H桥作为拓扑结构，采用Mosfet作为开关管。并联的小电容是Mosfet输出结电容的等效，即C1～C4，有C1= C2=C3=C4；VD1～VD4为Mosfet的体二极管。由于工作状态对称，本文仅对正半周进行分析，主要波形如图5所示。在正半周期，电路具有6种状态[5]，如图6所示。

图5　H桥电路主要波形

图6　H桥6种模态

[t0，t1]状态1：VT1和VT4导通，滤波电感Lt的电流为线性增长，t1时刻VT1关断电流停止增长。

[t1，t2]状态2：t1时刻，VT1关断，Lt续流，VT1流过的电流向C1和C3支路转移，此时C1充电，C3放电。C1、C3的存在，可以使VT1零电压关断。由于t1到t2的时间很短，电感可以等效为恒流源，即电流近似不变。则C1电压为线性增长变化，C3两端电压为线性减少。C3电压到t2为零，VD3自然导通。

[t2，t3]状态3：在t2，VD3导通，VT3为零电压导通。而此阶段，VD3与VT3进行换流，VD3为同步整流状态，Lt零续流状态，Lt的电流线性变化，t3减小到零。

[t3，t4]状态4：Lt续流结束，Lt电流反向增大，Lt上电压为－Uo，Lt储能，VT3电流线性增加，到t4时刻VT3关断。

[t4，t5]状态5：状态5与状态2类似，VT3关断，C3充电，C1放电，VT3零电压关断。在t5时刻，C1的电压减小为零，VD1自然导通。

[t5，t6]状态6：t5时VD1导通，VT1开通，VT1零电压开通。VT1和VD1进行换流，VT1为同步整流状态，向电源回馈能量，Lt的电流负向减小到零。

通过式(1)～式(6)可以得出实现ZVS的条件。

由式(7)可以得出若想实现ZVS则在电路设计时需要注意：

(1)由于一般情况下I1＆gt;I2，所以有tdead1＆gt;tdead2。H桥的下桥臂驱动电路可以加二极管电阻网络，这样可以增加下桥臂的驱动能力，从而使下桥臂驱动电路的死区时间加大。

(2)ZVS的实现需要对Lt最大值有限制，这就很有可能使滤波电感具有较大的电流脉动，因此在选取磁芯时，务必选取电阻率较高、磁芯损耗小的磁芯材料。

3 车载逆变器的电路设计

3.1DC/DC电路设计

DC-DC变换的拓扑结构是推挽拓扑结构，将汽车蓄电池输入电压升压至直流高电压，对于前级推挽电路使用SG3525控制芯片。模拟电路构成闭环PI调节。针对前级电路设计了短路与欠压保护，来确保整个车载逆变器的安全。

3.2DC/AC电路设计

DC-AC电路设计主要是对后级的H逆变桥的主电路进行设计，主要为母线电容选取、LC滤波、控制电路设计。直流母线电容是关键参数，由式(8)进行计算。

式中：Ps为输入功率；Vs为直流电压；η为效率；w为输出电压角频率。

LC滤波滤除高次谐波，计算滤波电感时，电流纹波为主要考虑因素，式(9)为计算公式。

LC截止频率为载波频率的1/10～1/5，可得到电容计算式(10)。

截止频率200 Hz，可以滤除高次谐波[6]。实际中，该LC滤波器呈现较好的滤波效果。

后级逆变电路使用TDS2285控制芯片，配合硬件死区电路和图腾柱电路加强驱动能力，后级电路实现了低开关损耗和EMI的目的[7]。

4 仿真研究

为了验证设计的可靠性，采用Matlab/Simulink对车载逆变器进行仿真。仿真参数：输入电压13 V，HPWM频率27 kHz，LC滤波器1 mH、4.7 μF，前级母线电容12 mF，后级母线电容330 μF。输出电压波形及快速傅里叶变换(FFT)分析，如图7所示，输出电压的谐波电流失真(THD)为1.95％，输出为较好的正弦波。

图7　输出电压的FFT

5 实验验证

为了验证整个设计的合理性，本文研制了车载逆变器样机，进行实验测试。输入电压为12～14 V，输出电压为225 V，50 Hz。实际调试时，样机有效实现电压闭环，谐波含量少。输出电压和电流波形(电流钳方向为反相)如图8所示。ZVS波形如图9所示。

图8　输出电压、电流波形

图9　ZVS波形

说明：本文中所设计的车载逆变器已经申请专利，专利号：ZL201420002317.4。

[1]朱保华.对车载逆变电源技术的研究[J].中国电力教育，2009(S2): 208-210.

[2] 彭小兵.一种新型SPWM逆变器[J].电工技术，2004(3):52-56.

[3]胡兴柳.SPWM逆变电源的单极性控制方式实现[J].机电工程，2004(1):38-41.

[4] 张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001: 46-58.

[5]彭小兵.高频脉宽调制技术在逆变器中的应用[J].电源技术应用，2003(7):340-343.

[6]林维明.满足新版IEC1000-3-2标准规定的单相LC滤波整流器的设计[J].电工电能新技术，2002(2):1-5.

[7]王志强.开关电源设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2005: 25-44.

Car inverter design based on HPWM modulation technique

LI Dong1,YI Ying-ping1,XIE Ming1,XIAO Fei2
(1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Xuji Group,Xuchang Henan 461000,China)

HPWM modulation technology works were described,and pure analog was designed to control power car inverter based on HPWM modulation techniques.DC/DC and DC/AC conversion structures were used by car inverter,and pure analog solutions were chosen by this inverter.The text-based automotive inverter HPWM modulation technology works were elaborated,and the conditions were given to achieve the level ZVS.The two-stage conversion circuit design was analyzed in detail.The experimental results show that this power inverter design is reasonable,stable and reliable operation.

HPWM;car inverter;ZVS

TM 464

A

1002-087 X(2016)01-0180-04

2015-06-12

国家高技术研究发展计划(2012AA050206)

李栋(1990—)，男，新疆维吾尔族自治区人，工学硕士，主要研究方向为电力电子技术。