SVPWM開關優化模式在單相車載逆變電源中的應用

李新杰 張勝 楊益金

(1.合肥工業大學電氣學院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰電子科技有限公司，上海 201210)

SVPWM開關優化模式在單相車載逆變電源中的應用

李新杰1張勝2楊益金2

(1.合肥工業大學電氣學院，安徽 合肥 230009;2.上海瑞峰電子科技有限公司，上海 201210)

目前，空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術以其母線電壓利用率高、開關器件損耗小等眾多優點被廣泛應用于UPS/EPS、變頻器等各類三相PWM逆變電源中。但是，由于單相電源的特點，使得該技術并未廣泛的應用于單相逆變電源。針對單相全橋PWM逆變器的控制特點，在研究單相逆變電源電壓調制信號矢量的基礎上，將SVPWM技術應用于單相PWM逆變電源，并闡述了單相SVPWM算法的DSP實現方法，通過對單相SVPWM零電壓矢量的分析優化，使SVPWM開關優化算法成功的應用于800W車載逆變電源，提高了母線電壓利用率，降低了損耗。在實驗室制作了樣機，通過實際的測試結果驗證了算法的有效性。

單相SVPWM 開關優化模式 車載逆變器

0 引言

SVPWM(Space Vector PWM)技術源于三相電機調速控制系統，目的是使電動機獲得圓形旋轉磁場。隨著數字化控制手段的發展，使得該技術在UPS/EPS、變頻器等各類三相PWM逆變電源中得到廣泛應用。與其他傳統PWM技術相比，SVPWM技術有著母線電壓利用率高、易于數字化實現、算法靈活便于實現等眾多優點［1］。目前，對SVPWM技術的研究大多是針對三相逆變電源系統。由于單相逆變電源的特點，該技術在單相逆變電源上并未得到廣泛應用。如果將SVPWM技術應用于單相逆變電源，還可以將當前三相SVPWM技術研究所得各種成果，如開關優化SVPWM技術等，直接應用于單相逆變電源。本文在分析三相SVPWM技術基本原理的基礎上，通過類比對單相電源與單相PWM逆變系統的空間電壓矢量進行分析，將SVPWM技術推廣應用于單相正弦波逆變電源。

1 單相空間矢量分析

單相逆變電源常采用如圖1所示的全橋。

圖1 單相逆變全橋電路

逆變電路結構。正常工作時同一橋臂的上下開關管在任意時刻不能同時導通，不考慮死區時間的插入則同一橋臂的上下管工作在互補狀態，因此可以用兩個上橋臂的功率器件的開關狀態來描述逆變器的開關狀態［2，3］。開關狀態及相對應的矢量如表1所示。

表1 單相逆變器的開關狀態及對應的矢量

其線電壓矢量可用矩陣表示

式中:a，b為開關函數，“0”表示該管關斷;“1”表示該管導通。

如圖2所示，4個離散的電壓矢量是由電壓矢量［uab，uba］T形成。取圖2中α、β軸上單位正向量為新基(c1，c2)

圖2 逆變器輸出電壓矢量

通過新基對式(1)做坐標旋轉變換，可得式(3)變換后的電壓矢量如圖3所示。

圖3 坐標變換后的電壓矢量

2 單相SVPWM的實現

單相SVPWM的基本原理是用4個離散的電壓矢量對期望的交流側輸出電壓進行擬合［4］。

當交流輸出側電壓大于等于零時，選取矢量V2、V0、V3對Vab進行擬合，否則選取V1、V0、V3。設Vab為期望的交流側輸出電壓矢量，Ts為PWM載波周期，T1為當前有效電壓矢量V1或V2作用時間，T0為零矢量V0、V3作用時間。當Vab大于等于零時，要在Ts的時間內得到輸出幅值大小為mvdc(0≤m≤1)的電壓，則有

當交流輸出側電壓小于零時，同理可得

在三相SVPWM調制中，選擇零電壓矢量的原則是使開關狀態變化盡可能少，以降低開關損耗［5，6］。將三相SVPWM零電壓矢量選擇的方法應用于單相SVPWM零電壓矢量，可以得到多種調制模式。不同的調制模式有著不同的開關次數和諧波含量［7］，本文選取兩種調制模式進行分析。

調制模式Ⅰ［圖4(a)］將電壓零矢量的作用時間分成三段，其中矢量Vab的起、終點上均勻地分布零矢量Vab，而在矢量V3中點處分布零矢量V3，再通過矢量V2去合成期望的交流側輸出Vab。在此模式下，在一個PWM周期內每個開關管要動作兩次。調制模式Ⅱ［圖5(a)］將零矢量V0平均的分配于矢量Vab的起、終點上，然后由矢量V2按照公式(5)去合成期望的交流側輸出Vab。在這一種模式下，任意一個PWM周期只需一個橋臂的一個開關管動作兩次。與調制模式Ⅰ比，調制模式Ⅱ在一個PWM周期內減少了一半的開關次數，也就減少了一半的開關損耗，這是傳統單相PWM技術難以達到的效果。

圖4 調制模式Ⅰ及其矢量合成

3 實驗及結果分析

選用 Freescale的56F8006作為主控芯片，IR公司的2113，IGBT選用 IXYS公司的IXGH48N60C3D1，搭 建了800W車載正弦波逆變器。實驗主要參數如下:直流母線電壓350－420 V，由 12 V蓄電池經過DCDC提供，PWM開關頻率為10 KHz，采用開關優化調制模式。

圖5 調制模式Ⅱ及其矢量合成

圖6所示為IGBT驅動信號，當b橋臂的上管按照正弦脈寬調制變化時(下管與其互補)。在半個輸出正弦載波周期內a橋臂下管保持開通，b橋臂上管進行調制;在這半個周期內a橋臂上、下管均不發生動作，這樣就大大降低了開關損耗。當a橋臂的上管按正弦脈寬調制(下管與之互補)，與此同時b橋臂上管保持關斷狀態，下管保持開通狀態。每個開關管都間隔半個正弦波周期工作在低頻開關狀態，從而降低了開關損耗。圖7為逆變器滿載輸出電壓波形，圖中可見逆變器輸出電壓峰值為310 V左右，頻率為50 Hz，輸出電壓波形比較平滑。通過實驗驗證了理論分析的正確性和可行性。

圖6 IGBT的驅動信號

圖7 逆變器輸出

4 結束語

本文將SVPWM控制技術運用于單相PWM逆變器中，研制了高性能的車載單相逆變器。與傳統的PWM技術相比，采用開關優化技術的單相SVPWM將電壓利用率提高了15.47%，降低了50%的開關損耗，減小了逆變電源散熱片的尺寸。單相SVPWM技術在實際工程中有著很高的實用價值。

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SVPWM Optimal Switching Applied to Automotive Inverter Power Supply

Li Xinjie1Zhang Sheng2Yang Yijin2

(1.HefeiUniversityofTechnology，HeifeiAnhui230009，China;2.ShanghaiReflyElectronics＆TechnologyCO，LTD，Shanghai201210，China)

At present，SVPWM is widely used in various types of three-phase PWM inverter power supply such as UPS/EPS、frequency converter，for the advantage of high bus voltage utilization ratio、low switch wastage and so on.Because of the feature of the singlephase power supply，the technology is rarely used in single-phase inverter power supply.This article focuses on dsp implementation of single-phase SVPWM.Based on the research of space voltage vector，SVPWM has been applied in the Single-phase inverter，The method is used.By way of the disposal of zero voltage vector，SVPWM Optimal Switching method is successfully applied to 800W Automotive Inverter Power supply.The technology increased bus voltage utilization ratio and reduced switch wastage.The prototype has beenmanufactured in the lab，at the same time，the experimental results validated the effectiveness of this Single-phase SVPWM method.

Single-phase SVPWM Optimal Switching Auto motive Inverter Power Supply

TM464

A

1000－3886(2011)04－0070－02

2010－10－11

李新杰(1985－)，男，合肥工業大學電工理論與新技術專業在讀研究生。研究方向為電力電子與電力傳動。