作者 王博 崔晶 西安铁路作业技能学院(陕西 西安 710014)
*基金项目：西安铁路作业技能学院2017年度立项课题(编号：XTZY17G06)
王博(1983-)，男，硕士，讲师，研讨方向：逆变技能。
摘要：为完结直流到沟通改换的逆变器体系，在以DSP28032为中心操控器的基础上提出了“I”型三电平逆变器的体系计划。与两电平逆变器比照，归纳剖析了三电平逆变器拓扑的特性与优势，结合DSP操控器硬件资源及逆变器具体需求，给出了体系主电路结构及其作业原理、滤波器规划办法及具体参数、IGBT驱动电路、必要的数字信号调度电路、要害模拟量收集电路、操控体系等方面的具体完结办法，并终究在试验中验证了逆变器体系及独立功用电路的可行性。
0 导言
逆变器是一种将直流电能转化为沟通电能的改换设备。逆变器广泛使用于光伏、风能等新能源发电职业。关于沟通电机类负载的驱动，比如轨道交通变流器、电动汽车驱动器中也有使用。别的，跟着电池、超级电容等储能技能的开展，由此构成的微型供电体系关于逆变器的需求越来越大。
本文以DSP28032为中心操控器，首要针对三电平逆变器主拓扑结构、LC低通滤波器、IGBT驱动、信号调度体系、操控体系等部分给出规划计划，终究经过试验手法验证规划计划的可行性。
1 逆变器拓扑选型规划
传统的两电平逆变器依照电路拓扑结构，可分为半桥式和全桥式。半桥式与全桥式的两电平逆变器在20世纪80年代前占有主导地位。1981年，日本学者初次提出三电平中点箝位PWM逆变器，即“I”型逆变器，并给出其拓扑结构，如图1所示。尔后，相关学者对多电平逆变器进行了很多研讨，提出了许多新的电路拓扑结构和操控战略，包含另一三电平的典型代表拓扑“T”型三电平拓扑，如图2所示。
三电平逆变器相关于两电平逆变器而言，尽管从电路结构上看要杂乱些，但三电平拓扑因为其结构的特殊性，成为逆变器中使用最广泛的一种。首要，在同等条件下，两电平逆变器关于开关管的要求，比三电平拓扑关于开关管的电压规范要求高一倍。例如，假如直流侧为单边400 V双方母线800 V，两电平开关管的电压规范要挑选1200 V规范的开关管，而“I”型三电平可挑选600 V的开关管，“T”型三电平挑选两个1200 V，两个600 V的开关管，从开关器材本钱上比照，三电平有显着的优势。其次，三电平拓扑随作业状况改变，沟通输出点在电路作业时有三个电平，而两电平只要两个电平，由此，沟通输出开关次的谐波较低;别的，三电平逆变器输出谐波小，因而，关于沟通低通滤波器的要求较小，本钱及体积也有较大优势，功率也有相应进步，关于逆变器产品的功率密度进步有实质性含义。因而，研讨此类三电平逆变电路具有较高的实用价值。
“T”型拓扑与“I”型拓扑在实践使用中，依照逆变器体系的具体功率、开关频率、本钱等要素也有必定差异。有关文献标明，“I”型拓扑适用开关频率为16 kHz以上的中小功率场合，“T”型拓扑在16 kHz以下的中大功率产品中有明显的功用与本钱优势。本文逆变器体系需求功率为1 kW，功率较小，开关频率依照开关管的特性选取24 kHz，依据上述两种拓扑在使用中的差异性，选取“I”型拓扑作为逆变器体系主电路。
2 “I”型三电平主电路规划
2.1 “I”型三电平主电路作业时序
“I”型三电平电路直流侧经过直流电容接入，在“I”型的桥臂中点处衔接沟通输出的低通滤波器，滤波器办法可为LC或LCL。在开关管替换注册、关断时，桥臂中点电压有三种改变办法：+BUS、N及-BUS，这三种电平经过低通滤波器滤波处理后变为工频的电压波形。
为了将桥臂中点三种脉动的沟通电平变为规矩的正弦波，三电平拓扑中开关管的发波需求进行紧密的逻辑操控。一般地，在逆变器输出的正半周内，Q1高频开关动作，其占空比呈正弦包络，Q2为工频改变的开关管，在正半周处于常通的状况。一起，在输出正半周内，Q3的开关动作逻辑与Q1呈互补状况，Q4呈关断状况。而在输出负半周，四个开关管的作业状况与正半周对调，即Q4呈高频开关动作，占空比呈正弦包络，Q3负半周中常通，Q2与Q4逻辑互补，Q1呈关断状况。具体逻辑关系如图3所示。
2.2 LC低通滤波器规划
逆变器的LC低通滤波器的首要功用是有用的将逆变器桥臂中的高频开关次谐波滤除，并且关于沟通输出的工频成分不会有衰减，到达以上两个滤波作用的滤波器是较为抱负的滤波器。依据香农采样定理，结合逆变器规划经历，低通滤波器的截止频率fc一般需求满意：
(1)
其间fo为沟通输出频率，一般为工频，fs为逆变器开关频率。
为完结逆变器输出规范的工频正弦波电压，尽量削减其间的高次谐波含量，LC低通滤波器的截止频率有必要远远小于逆变器桥臂的作业频率，一般要低于1/10的开关频率，即：
(2)
一起，LC低通滤波器又要尽或许削减对工频输出形成太大的衰减，因而截止频率又要远远大于工频频率，工程规划一般要大于10倍的工频频率，即：
(3)
别的，为减小逆变器沟通输出电压总谐波含量THDu，LC滤波器的滤波电容取值应尽量大，可是较大滤波电容会形成体系无功功率的进步。因而，需求挑选适宜的滤波电容与滤波电感调配，工程规划中，由滤波电容产生的无功功率一般要小于额定功率的5%。由此，经过核算滤波电容可选取4.7μF。
滤波电感的取值一般首要考虑电感电流纹波率。纹波率越大，峰值电流越大，一旦超越IGBT的不行重复峰值电流，就会对IGBT形成要挟。峰值电流过大，也会使电感磁损变大，温升进步。工程规划中，滤波电感纹波电流率一般选取电感额定电流的30%。由此，经过核算可选取电感为1.3 mH。
依据LC低通滤波器有关截止频率的规划思路及滤波%&&&&&%、滤波电感的规划办法，即可得到满意逆变器体系各项功用参数的LC低通滤波器。
3 逆变器操控电路规划
逆变器主电路结构的选取，是归纳逆变器体系各项功用参数需求，包含体系的沟通输出总谐波含量THDu、功率、整机热处理办法及本钱等。而决议逆变器体系各项功用指标完结的另一必要条件便是能否依据主电路规划匹配的操控电路，组成完好的操控体系，然后保证体系各项参数逐个完结。为此，本文中逆变器操控体系首要处理在开关管阻隔驱动电路、数字信号与模拟信号调度电路等。
3.1 IGBT驱动电路
IGBT即绝缘栅双极型晶体管是一种功用优秀的功率半导体器材，选用IGBT作为“I”型逆变器主电路的开关管，可满意逆变器体系要求。IGBT优秀特性的发挥是建立在牢靠、安稳驱动操控之上，因而，IGBT的驱动电路是要害所在。
有关文献显现，IGBT是一种电流型的开关器材，其结构原理可等效为MOSFET和电力晶体管组合而成。栅极驱动首要处理的是在IGBT开关动作时，可以有满足的功率对栅极电荷Qg做功。IGBT在关断时存在拖尾电流，使IGBT产生较大的损耗，为此，驱动电路规划中引进负向电压快速将其关断，防止电流拖尾产生，负向电压一般在工程规划中选取﹣10 V左右。别的，为保证IGBT在导通时较低的通态压降，依据其导通特性，需求供给较高的驱动电压，但不能超越其限值±20 V，工程规划中一般选取15 V较为适中，如图4所示。除此之外，驱动电路要完结信号电路与功率电路的阻隔，需求用光电耦合器完结信号阻隔传输，用变压器处理驱动阻隔电源。
3.2 要害信号调度电路
3.2.1 SPWM波电平转化
DSP中用于操控开关管的SPWM波由EPWM模块宣布，其高电平为3.3 V的信号。而开关管的驱动输入信号为高电平5 V的信号，因而，需求将3.3 V数字操控信号调度为5 V的数字信号。并且在调度的过程中，信号上升沿、下降沿延时要尽或许小。本文中选用TI公司集成的数字信号转化芯片SN74LVC4245完结。
SN74LVC4245的引脚DIR是方向操控端，当引脚为低电平时：1)若DIR为低电平，则从B1~B8端输入的数据可以传到A1~A8;2)若DIR为高电平，则从A1~A8端输入的数据可以传到B1~B8。DSP宣布的PWM信号为3.3 V，因而，挑选第一种，行将DIR置位为0。
3.2.2 输出沟通电压收集
逆变器输出沟通电压采样选用较经济的完结办法，如图6所示，使用电阻R1、R2将逆变输出高压信号衰减，送入运算扩大器。运放选用差分的办法，可有用按捺共模搅扰。对衰减的沟通信号在进入DSP的A/D口前，要变为直流信号。为此，用3.3 V基准电压进行偏置处理，变为DSP可辨认的反响沟通信号的直流量。
3.2.3 输出沟通电压直流重量收集
因为逆变桥臂器材、操控电路等的差异，逆变器输出的沟通电压均存在必定的直流偏置电压，假如对该直流偏置电压不做必定的操控，关于负载及逆变器体系自身都会有不良的影响。并且，这种不良的影响会跟着直流偏置电压的增大而恶化。因而，需求从逆变器体系视点进行必要的操控处理，保证直流偏置电压在必定范围内(国内关于该直流偏置电压的规范要求为±100 mV)。
该直流偏置电压的校对办法一般从操控中做必要的批改来按捺，因而，可以准确获取直流偏置电压是校对的条件。本文为处理该问题，对逆变沟通电压经过两级的RC低通滤波处理有用提炼出直流重量，如图6所示。一起，将该直流重量经过两组完全一致的运算扩大器进行共模处理，并扩大该信号，这样，可较为精准获取直流重量，终究送入DSP的A/D口收集。
3.2.4 电感电流收集
逆变器电感电流的收集选用闭环电流形式的霍尔传感器，可进步电流采样精度，尽或许减小采样器材的延时，一起，霍尔器材可收集直流电流，关于沟通电流的直流重量可准确取得。如图8所示，将霍尔传感器原边与电感串联接入沟通回路中，在副边即可取得Is、Is与Ip 的关系为Ip=nIs，其间n为霍尔器材的原副边匝比。副边电流Is流采样电阻Rs将电流信号变为与之匹配的电压信号，再经过运算扩大器后送入DSP的A/D口。
4 逆变器操控体系规划
逆变器操控体系以DSP28032为中心操控器完结逆变器双闭环操控。整个逆变器体系以沟通输出电压反应为外环，以逆变器滤波电感电流反应作为内环。其间电流内环响应速度较高，可依据电感电流改变，逐周期完结对逆变器SPWM波的处理。电压外环影响速度较低，不只完结输出电压有用值的闭环操控，并且依据规范正弦波，完结精准的瞬时操控。一起，在体系操控中引进随直流输入电压改变的前馈操控算法及直流偏置电压批改操控等，完结逆变器相应的功用指标。除此之外，鉴于逆变器实践工况，在操控体系中完结逆变器沟通输出过流、短路等功用。
5 试验成果
完结逆变器的主电路规划、LC滤波器规划、数字与模拟信号调度电路规划、IGBT驱动电路规划、操控体系规划等作业后，建立相应功用模块，对逆变器体系在试验中实践测验其成果。
从试验成果看，该逆变器体系关于逆变器产品的相关功用、功用需求均能完结并合格，尤其在直流重量按捺、逆变器输出短路等方面体现杰出，如图9所示为逆变器输出电压波形。由此可见，本文给出的规划及完结办法可行。
6 定论
本文对三电平逆变器进行了深入剖析，结合逆变器产品需求，给出体系完结计划。以“I”型三电平逆变器为研讨目标，以DSP28032为中心操控器，组成逆变器体系，对体系中触及的LC低通滤波器、数字信号调度电路、模拟量收集电路、IGBT驱动电路、逆变器操控战略等方面给出了具体的规划及完结办法。最终，经过试验手法验证了该计划有用、可行。
参考文献：
[1]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社,2002.
[2]王博,郝湘路.“I”型三电平逆变器开关管不均压研讨[J].电子产品世界,2016.7: 58-61.
[3]王要强,吴凤江,孙力,等.带LCL输出滤波器的并网逆变器操控战略研讨[J].我国电机工程学报,2011.31(12):34-39.
[4]孟庆云,马伟明,孙驰,等.考虑二极管非抱负特性的中点钳位三电平电路的剖析[J].电工技能学报,2010,25(6):40-46.
[5]曾宪金,李小为,胡立坤,等.依据天然坐标与功率前馈的三相电压型PWM变流器操控[J].电力体系维护与操控,2015, 43(11):13-20.
[6]王博.依据矢量操控的光伏逆变器IGBT损耗核算[J].电气传动,2016.46(8):45-49.
[7]李小强,伍小杰,耿乙文,等.理性电网阻抗下三相光伏逆变器安稳性剖析[J].我国电机工程学报,2014,34(18):2906-2916.
[8]李子欣,王平,李耀华,等.选用数字操控的400 Hz大功率逆变电源[J].我国电机工程学报.2009(06):36-42.
[9]朱代祥,丁明.依据DSP电压瞬时值反应的逆变电源的规划[J].电源技能使用.2008(07):1-4
[10]王博,郝湘路,马仲智.IGBT驱动要害技能研讨[J].电子产品世界,2016.8:55-58.
本文来源于《电子产品世界》2018年第6期第50页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
