SPWM技术中频逆变电源的载波研究与测试
时间：2023-02-15 12:40:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
朱学森，胡 辉，黄 浩，牛建辉
(北华航天工业学院，河北 廊坊 065000)
正弦脉宽调制是在PWM的基础上改变调制脉冲的方式，脉冲宽度时间占空比按正弦波规率排列，经过驱动隔离电路，在给信号提高驱动能力的基础上又隔离了输出与控制电路，有效保证了控制电路的安全性，再经过开关管的全桥逆变电路输出具有带载能力的PWM脉冲信号，这样输出的波形经过合适的滤波电路就可以得到有带载能力的正弦波[1-2]。
SPWM波形的生成采用异步双极性调制，载波选用三角波信号，载波频率100 kHz，输出正弦500 Hz，输出电流0～2 A，输出电压30 V，此时载波比N=200。
三相正弦电源由DC电源模块、逆变MOS管电路、STM32核心控制、信号隔离驱动电路、LC滤波电路等组成[1]，整体系统结构如图1所示。
图1 三相正弦系统
用STM32高级定时器TIM1产生正弦脉冲调制信号(SPWM)，经光耦隔离驱动电路提高SPWM波的驱动能力，6路SPWM信号发送给6个MOS管，通过MOS管的开关作用将直流电转换成交流电。
开关管选用IRFS3607，最大输出电流80 A，耐压75 V。滤波电路铁氧体磁环电感1 mH，磁环初始导磁率为90，CBB电容3.3 uF，理论截止频率2.77 kHz。
笔者采用STM32F407做主控制器，此处主要介绍SPWM调制波形的生成方法。使用STM32的高级定时器TIM1做3路互补输出PWM，计数方式采用中心对齐方式，开启中断；
在程序中断回调函数中，做正弦波数据与三角波的调制比较值的更改，即改变每个输出脉冲波形的占空比按正弦波变化的规律变化。载波频率即PWM输出频率。
调制方法选用异步单极性调制，保持载波频率不变，改变调制波频率，实际在单片机程序中体现为改变载波比N的值。载波比N值不能太小，因为载波比N值决定了一个调制周期内脉冲的个数，如果N值小，那么脉冲数就小，输出SPWM波形的脉冲不对称性就会增大[3-4]。
波形检测采用TELEDYNE公司的HDO9000四通道示波器，功率输出采用横河电机WT333数字功率。WT333数字功率计基本精度为读数的0.1%，可测量三相电源相电压、线电压、线电流、谐波失真率THD等。直流供电源采用汉晟HSPY-120-93直流电源，输出电压电流可调。
负载采用0～100 Ω可变电阻器，并采用星形连接。本系统借助WT333测量输出电压电流变化，并记录谐波失真率THD值、示波器观测波形输出、当前频率值与任意两相的相位差。100 kHz载波下的数据如表1所示，可以观察到示波器在电流1.4 A时的波形变化。
表1 100 kHz载波电压电流数据
由表1可以看到，当电流变大时，输出波形出现明显变化，输出电压降低，输出波形纹波变大，谐波失真率THD变大。基于此现象，笔者提出以下问题：是什么影响输出波形的失真与输出电压的降低？
猜测一：LC滤波器截止频率太低，影响了滤波性能，笔者尝试进行如下实验测试。
将电感参数换为耐流值5 A，1 mH，电容换为1 uF，此时，将理论截止频率5.03 kHz再次做通电测试。载波100 kHz改善后的电压电流如表2所示。
表2 100 kHz 改善滤波后的电压电流
由实验结果可知，波形失真有一定改善，但是在压降电流增大时压降更明显，且输出纹波变大。这说明截止频率设高之后滤波不完全。
猜测二：载波频率太大，当电流增大时带给开关管器件的负担变大，导致开关管器件不能正常工作。
实验人员需要测量输出电流为200 mA时的滤波前波形和输出电流为1.4 A时的滤波前波形。输出电流为1.4 A时的滤波前波形如图2所示，MOS管输出波形无明显失真，输出载波频率在MOS管开关频率范围内。
图2 输出电流为1.4 A时的滤波前波形
猜测三：载波频率太大，当电流增大时，电感的磁通量不足，使得电感L上的分压变大，导致滤波效果不好。
实验人员将载波调小到21 kHz，并观察LC滤波后的输出波形，主要观察输出电流为1.4 A时的载波波形。21 kHz载波输出时的电压、电流数据如表3所示。
表3 21 kHz载波输出电压电流
输出载波为21 kHz，输出电流为1.4 A时的输出波形如图3所示，滤波波形得到明显优化，但是输出波形平滑度不够，还有一些毛刺。
从图2、图3可以看到，在开关管开关时，会对另一个MOS管进行干扰毛刺，当电流增大时毛刺增大，这时需要在开关管DS极之间加入RCD吸收电路。并且，从上述实验中能得到电感L的磁通量不足的问题[5]。
图3 输出载波为21 kHz，输出电流为1.4 A时的滤波后波形
图4 三相开环逆变仿真
在Slimlink中进行LC滤波输出波形，获得的FFT分析结果如图5所示。
图5 SimlinkFFT仿真
重新选取LC滤波参数之后，得到的THD值为0.56%。
载波频率不能直接影响输出电流能力，而是载波频率过高会使开关管负担变大。当载波频率过高，没有负载电流时，开关管输出压力小，能正常工作；
当负载电流增大时，开关的尖峰脉冲也会增大，会缩短开关管的使用寿命，同时电感上的分压和相移也会增大，影响输出波形，并且当电流增大时，开关管相互间的影响毛刺也会变大，这些毛刺会影响输出的波形，甚至损坏开关管，缩短其使用寿命。所以，测试人员需要加入RCD吸收电路改善这种情况[9]。
此外，在测试波形问题时，当把载波频率调小，保持调制波频率不变时，输出的三相正弦波形的相位差会改变，不再是标准的120°。通过查阅资料与多次反复调整载波频率得出结论：载波频率增大时，通过LC感性负载的相移影响会减小。
在测试过程中，载波频率继续减小，输出波形不会持续优化，当载波比N小于30时，输出波形会出现波纹，毛刺也会变多。
载波频率高可以使输出波形在LC滤波之后的相移影响变小，同时载波频率的值受到电感磁通量的限制，高载波频率需要大磁通量线圈支持，这样滤波器的体积就会变得很大，不符合逆变电源轻量化趋势。
笔者在系统调试时发现，只要输出电流增大，输出滤波后的正弦电压必然会发生一定程度的下降，即电感的阻抗损耗。针对这样的情况，后续使用时，技术人员可以加入闭环反馈系统，保证输出的稳定性。
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