一种电压-电压SPWM控制DC/AC电路的设计

前言

      正弦波逆变电源被广泛的应用于电力、邮电、通信、航天等各个领域， 而且随着微电脑技术的不断发展和普及，正弦波逆变电源的应用越来越广。为了满足用户对电能质量的要求，逆变电源在直流输入电压波动的情况下应保持输出电压恒定。传统的电压单环控制一般存在输出电压波动大、动态响应慢等缺点，很难实现精确控制。在逆变电路中为了克服以上不足，采用电压前馈控制技术来解决此问题。本文在单相SPWM逆变的基础上，采用前馈调整三角载波和反馈调整正弦波相结合的电压- 电压复合控制方案，较好地解决了输出电压瞬态偏离问题，且实现简单。

电压- 电压复合控制基本思想

      在DC/AC逆变电路中， 输出电压与输入电压存在一定的线性关系。当输入电压变化时，输出电压随之相应改变。为了使输出电压保持稳定，一般要采集电压输出量进行反馈闭环控制。但是由于逆变电源开关频率较高， 且电路存在电感、电容等延时元件，使得反馈电压的变化滞后于输入电压的变化， 系统的反应与调节比较迟缓， 容易造成较大的瞬态偏离。如果能在输出电压变化之前，利用输入电压的变化对电路的控制信号进行调节，即在采用电压反馈技术的基础上辅以电压前馈技术则能较好地解决这个问题。这种电压- 电压复合控制，可以实现动态响应快、调节迅速、输出电压波动小的目的。

前馈型DC/ AC控制电路的设计与实现

      DC/AC逆变器的控制电路可由分立元件或集成元件构成。

由分立元件构成的控制电路

      由分立元件构成的控制电路多采用调制法，即把正弦波信号作为调制波， 用三角波作为载波， 当三角波与正弦波相交时对电路中的开关器件进行控制。采用调制法进行控制时三角载波的频率是远大于正弦调制波的频率的。所以在三角波的一个开关周期中可以近似地认为正弦波V_c 为常量，这样就与DC/ DC 变频器的控制规律是相同的了，如图1 所示。占空比D =V_c/ V_r(V_c< V_t) ，改变V_c、V_r任意一个的幅值即可改变输出电压的大小。当三角波由V_r 变为V_r′时， 占空比的大小由T₁/T变为T₂/T。

      在SPWM中， 一般将正弦波峰值V_c与三角波峰值V_r的比值称为调制度a ， 即a =V_c/V_r。这样DC/AC变换电路输入输出之间有如下的数量关系: 输出电压的基波有效值U_o正比于调制度a及输入电压U_I， 即U_Ol = KaU_I = KU_IV_c/V_r ， ( K为常数，与主电路结构有关) 。于是， 当U_I变为原来的n倍的时侯， 要保持输出电压稳定， 三角波峰值电压也要相应地变为原来的n 倍。

      据上述原理构成的DC/AC逆变电路如图2所示。输入电压U_I分压后经斩波电路斩波，得到电压幅值随输入电压变化的方波电压U_s，U_s经有源积分电路积分后得到三角波电压U_r。积分前后的电压波形如图3所示。此三角波电压的峰值是正比于方波幅值电压的，于是三角波峰值电压随输入电压成比例地变化，保持了输出电压的稳定。此电路控制过程独立， 互不干扰， 使得电路的设计和实际调试变得简便。控制部分设计方法简单易行，达到了快速稳定输出的目的。

控制电路由集成元件构成

      随着微处理器性价比的不断提高， 逆变电源已进入了智能化阶段， 可用集成元件来方便地组成控制电路。目前由集成元件实现的控制电路主要有专用集成芯片法和微机生成法。专用的生成SPWM的芯片如SA838、SA868、HEF4752、SLE480等。该方法的优点是电路集成度高、可靠性高;微机生成法控制电路由单片机采用软件方式产生，目前市场上有许多性价比高的单片机， 如PIC系列或引脚少的MC51系列单片机， 可用指令产生SPWM， 并可方便地实现对逆变系统的控制、监视、管理和保护。

      在单相DC/AC变换电路中， 为了简化控制电路结构， 还可以采用电压型PWM集成控制芯片如SG1525、TL494 等构成SPWM控制器， 利用控制芯片内部产生的三角波与由外部输入的正弦调制波进行比较得到SPWM波形。这时三角波的幅值是不能够进行调节的，因此利用输入电压的变化来调节三角波幅值的前馈控制思想无法实现。在这种情况下，可将前馈电压的采样值按照电路的输入输出关系U_O1 = KU_IV_c/ V_r进行归一化换算后， 与反馈电压、给定电压进行综合比较，经PI调节后连接到变增益放大电路去调节正弦波的幅值，从而实现电压前馈和电压反馈控制。利用集成元件实现电压-电压控制的电路原理如图4 所示。

仿真与实验结果

      按照上述控制方法对图2所示电路进行仿真与试验， 逆变主回路为IGBT全桥电路， 试验参数为:输入直流电压U_I =200 V，交流输出电压有效值为100V， 设计功率为5kW， 开关频率为50kHz ， L=10μH，C =1μF。当输入电压由100V跃变为150V时， 如图5(a) 所示， 传统电压反馈控制与前馈型电压- 电压控制输出电压的仿真结果分别如图5(b) 和图5(c)所示，三角波变化如图5(d) 所示。

      仿真结果表明，前馈型电压- 电压控制对输入电压波动的反应灵敏， 能够及时的调整载波的幅值，达到瞬间稳定输出电压的目的。

结论

      本文提出了一种采用前馈调整三角载波和反馈调整正弦波相结合的电压- 电压复合控制方案，并全面地说明了控制电路由集成元件构成时的应用方法。试验结果表明此控制方法较好地解决了输出电压瞬态偏离问题，且实现简单。