具有倍频倍流的新型调制技术研究

李少龙,徐艳超,李　栋,杨晓洁,常家荣,唐雨松

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



具有倍频倍流的新型调制技术研究

李少龙,徐艳超,李栋,杨晓洁,常家荣,唐雨松

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要介绍了一种优化的SPWM调制技术,在尽量减少硬件成本的前提下,提出新拓扑结构的同时并给出新的调制方式,该拓扑结构配合新的调制技术实现了倍频、扩容的目的。相对以往研究,该方案无需增加开关管的开关频率即可实现输出电压倍频,且无需复杂控制和较多的硬件成本提升即可实现输出电流倍流。为了验证该调制技术和拓扑结构的合理性,文中使用Matlab/Simulink对基于该调制技术的逆变器搭建了仿真进行验证,证明本文所提出的调制方法的可行性。在实际应用中也呈现了较好的均流效果,且MOSFET发热较小,从而实现了倍频与扩容的目的。

关键词逆变器;新型调制技术;倍频倍流;新型拓扑结构

根据最新的市场分析,到2015年我国光伏逆变器需求量将达到5 GW,2020年将达到10 GW,面对巨大的市场份额,对光伏逆变器的研究也一直保持着一定热度[1]。离网逆变器的技术发展相对成熟,但对大功率离网逆变器的研究仍有较大的提升空间[2]。

国内外许多学者做了大量离网逆变器的研究,常规功率较小的离网逆变器使用MOSFET作为开关管,功率较大则使用IGBT作为开关管。IGBT相对于MOSFET有功率等级大的优点,但是必须指出的是IGBT具有电流拖尾、驱动电路复杂和驱动成本高等缺点[3]。光伏离网逆变器的输出电压可近似视为恒定不变,所谓的大功率即对输出电流的需求不断增大,在电压较低电流输出大的场合多数情况下使用MOSFET并联均流来替代IGBT,从而达到大功率输出和降低成本得目的。但MOSFET的均流就会带来新的问题,例如,MOSFET的均流效果如何,开关管的开通时间延迟不一致等问题[4],而这一系列的问题的解决也带来了整体离网逆变器的成本增加。

本文在上述研究的基础上所提出新的调制方式,在仅增加一个桥臂的前提下,实现了倍频与倍流的效果,这样的调制方式可减小开关损耗,减少滤波电感的体积,大幅减少硬件成本,且本文所提出的新型的调制方式从理论分析上具有较好的均流效果。

1优化PWM技术

在调制信号正弦化的PWM技术是应用最为广泛的PWM调制技术,简称SPWM调制技术。单极性SPWM相对双极性SPWM具有谐波小,拥有开关损耗小等优点,但在单片机实现上较为困难[5]。随着SPWM调制技术不断发展,国内外学者还提出了倍频式SPWM技术、有选择消除谐波SPWM等技术[6]。本文所提出的优化SPWM技术是基于单极性SPWM技术上所提出的。

该调制技术是使用6个开关管实现倍频和加大功率等级,电路拓扑结构如图1所示。优化的SPWM调制方式波形如图2所示。

图1　电路拓扑结构

图2　优化的SPWM调制方式波形

在带感性负载后,负载电流连续,电路电量波形如图3所示,图中波形从上到下分别为Uo、Io、Iin。由图可知,一个周期内包含4个时区,8个工作状态,由于输出电压的正负两个周期对称,所以仅介绍工作在正半周期的电路工作情况:

(1)时区一,如图4(a)～图4(c)所示。该时区下负载电流io<0,uab>0,VD1连续导通,VD4、VD4′1和VT2,VD4、VD4′1和VT2′1轮番导通,其中工作在图5(a)情况下,uab=Ud;如图4(b)和4(c)所示时,uab=0;

(2)时区二,如图4(d)～图4(f)所示。该时区下负载电流io>0,uab>0,VT1连续导通,VD2、VD2′1和VT4,VD2、VD2′1和VT4′1轮番导通,其中工作在图4(e)情况下,uab=0;如图4(f)和图4(g)所示时,uab=Ud。

对输出电压uab进行分析(实际中载波频率远大于调制波频率,所以使用平均值模型进行分析),由于uab的波形正负对称,所对只针对正半周分析。uab在载波周期Tc内可表示为

(1)

式(1)中,D2为VT2在一个载波周期内的占空比,D2′1为VT2′1在一个载波周期占空比由式(1)可计算得到uab在Tc内的平均值为

(2)

在载波周期远小于调制波周期时,可近似有

(3)

式中,M(t)为调制波与载波比值函数。

由式(3)和式(2)可得

(4)

式中,m为调制波峰值与载波峰值比值由于载波周期远小于调制波周期,所以可得输出电压的基波分量的峰值Uab1m与Ud有以下近似关系

Uab1m=mUd

(5)

输出电流Io在一个载波周期Tc内可由式(1)表示为

(6)

式(6)可得到输出电流Io在Tc内平均值

(7)

同理VT2和VT2′1输出电流IVT2和IVT2′1分别为

(8)

由式(3)和式(8)可得

(9)

由此可看出,每个MOSFET流过的电流仅为输出电流的1/2(VT4和VT4′1同理可得)。所以可看作将整个输出的功率增大了一倍。

图3　电路电量波形

图4　电路工作模式

由以上分析可看出,该调制技术与单极性SPWM调制相似,但该调制技术实现输出电压倍频效果[7-8]。由于VT2和VT2′1、VT4和VT4′1是正向交替导通,其反相时为并联均流,所以在不改变其参数时,可实现输出电流的倍流。电路中的VT1和VT3由于工作在低频状态,可使用双向可控硅作为开关管,而VT2、VT4、VT2′1、VT4′1能使用MOSFET,由于MOSFET具有正温度系数[9]且每个并联的MOSFET最多只导通周期的1/2,这就使在MOSFET工作在正向和反向导通时可具有较好的均流效果。在实际应用中,电路的主拓扑结构使用文中所述的三桥臂结构,即一路桥臂使用开关频率较低和成本较低的双向可控硅,而剩下两路桥臂的开关管则选取MOSFET,但驱动电路则需要分别正对每一个桥臂进行设计,而其中MOSFET开关管的额定电流选取按照输出额定电流的0.75倍来选取电流参数,双向可控硅则是按照输出额定电流的1.5倍选取。以DSP2812为例,使用该调制方式时,利用查表法实现该新型调制技术的SPWM输出,值得注意的是实际查表法中的载波比是按照输出电压与基波频率比来计算。通过以上分析可得出,在增加两个MOSFET便可实现输出电压倍频,最大输出电流倍流的效果,在实际应用中将可为大功率离网逆变器的成本进行大量节约,其控制也不需复杂的算法策略。在理论上该方法是可继续添加桥臂进行倍频和扩容,但现实中受到GTO容量、单片机的运算速度与精度和MOSFET脉冲漏电流大小的制约。

2仿真研究

为验证本文所提出调制方式的正确性,文中采用Matlab/Simulink软件对1 kW逆变器进行了仿真。本文采用仿真参数:直流电压400 V,PWM波频率为20 kHz,LC滤波为1 mH和4.7 μF,前级母线支撑电容330 μF。仿真结果显示IVT2和IVT2′1分别为Io的1/2。VT2和VT2′1的开关波形和uab波形如图5所示,图中从上到下的波形分别为uab、VT2和VT2′1,可看出该调制技术实现了倍频。

图5　VT2和VT2′1的开关波形和uab波形

3实验验证

为验证整个系统的安全和可靠性,本文对所研制的单相逆变器进行了实验测试。输出为220 V,50 Hz,额定功率1 kW。采用DSP2812单片机实现控制,并使用查表法实现SPWM输出,因在该电压电流等级下的MOSFET的结电容均较小,故可以直接使用驱动芯片即可,无需再外加图腾柱电路来增大驱动电流。在实际运行中可该调制方式具有较好的输出效果,且实际样机中MOSFET选取均按照额定电流的0.75倍裕量选取。实际输出波形如图6所示,下桥臂VT3和VT3′1驱动波形,如图7所示。最后测得在额定功率下的下桥臂VT3和VT3′1和上桥臂VT2和VT2′1电流有效值的差值均小于0.5 A,呈现较好的均流效果。

图6　输出波形

图7　下桥臂VT3和VT3′1驱动波形

4结束语

通过仿真和实验研究验证明本文所提出的调制方法的可行性。在实际应用中也呈现了较好的均流效果,且MOSFET发热较小,从而实现了倍频与扩容的目的。本文所提出的新调制技术不仅可运用于光伏离网逆变器,对于现在正在大力发展的新能源汽车领域也具有广泛的应用空间。但需要指出的是,该调制下的MOSFET选取时,需要注意脉冲漏电流的选取,因就单个调制周期而言,文中的MOSFET电流应力并未减小,实现的是电流有效值的均流,而在市场上的MOSFET大多具有较大的脉冲漏电流,一般为连续漏电流的3～4倍,则完全可实现倍流扩容。

参考文献

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[3]胡宗波,张波.同步整流器中MOSFET的双向导电特性和整流损耗研究[J].中国电机工程学报,2002,22(3):88-93.

[4]张云,徐衍亮,李豹.基于动态电源的MOSFET驱动优化[J].电工技术学报,2013(12):269-275.

[5]Hamman J,Van Der Merwe F S.Voltage harmonics generated by voltage-fed inverters using PWM natural sampling[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(3):297-302.

[6]Hamman J,Van Der Merwe F S.Voltage harmonics gene-rated by voltage-fed inverters using PWM natural sampling[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(3):297-302.

[7]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京:科学出版社,2002.

[8]李琛.基于单极性倍频SPWM调制的逆变电源系统研究[J].宁夏工程技术,2009,8(3):197-200.

[9]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

New Modulation Technique with Doubled Frequency and Current

LI Shaolong,XU Yanchao,LI Dong,YANG Xiaojie,CHANG Jiarong,TANG Yusong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper describes an optimized SPWM modulation technique with new topology for doubling the frequency and current while minimizing hardware costs.Double output current is achieved without the need for increasing the frequency of the switch and complex hardware in the output voltage multiplier.Matlab/Simulink simulation of an as-modulated inverter is performed to verify the feasibility of the proposed modulation technique and topology.Practical application also demonstrates good equalization effect and low MOSFET temperature and thus frequency is doubled and capacity is enlarged.

Keywordsinverter;new modulation technology;double frequency and current;new topology

中图分类号TM919

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-183-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.049

作者简介:李少龙(1972—),男,硕士,讲师。研究方向:电力电子非线性及控制。

收稿日期:2015- 07- 28