占空比及相位差對開關功放電流紋波影響分析

李配飛，張磊，翟小飛

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

0 引言

為了實現對發電機端口電壓的精確控制，需對發電機勵磁電流進行精確控制，減小勵磁電流的紋波可以有效提高電流控制精度[1]。

采用橋式結構的三電平功放是近年研究較多的一種降低電流紋波的控制方法[2-4]，在以 H半橋作為勵磁功放電路的控制系統中，為了滿足發電機對于勵磁電流精確控制的需要，設計了三電平PWM開關功率放大器。實踐證明三電平PWM技術可以有效地減小勵磁電流紋波[5-6]。

不少文獻提出采用兩路完全相同的PWM控制脈沖驅動開關功放，包括兩電平方式和三電平方式，但鮮有文獻對兩路不同PWM信號移相一定角度實現三電平的理論進行分析和歸納。本文針對H半橋勵磁功放電路，對兩路不同占空比的PWM 信號移相一定角度時其紋波的變化規律進行研究，給出兩路不同占空比PWM獲得最小紋波的計算公式和實現最小紋波時兩路PWM移相角度α。

設PWM1占空比為D1，PWM2占空比為D2，D2滯后D1角度為α（0-1對應PWM周期0～TP），鑒于H半橋電路中兩路PWM具有可交換性，即兩路PWM信號互換占空比不影響電流紋波，本文設定D1≥D2，考慮到PWM信號占空比較大時抗干擾能力強，為此設定D1≥D2≥0.5。在兩個占空比D1，D2變化的情況下，本文給出兩路PWM實現三電平的一般性公式，并求得實現電流最小紋波時兩路PWM相位差和占空比。

1 H半橋開關功放工作原理

H半橋型勵磁功放電路結構原理如下圖1所示[7]。其中VT1、VT2為IGBT，D1、D2為續流二極管。Ud為勵磁功放直流電源，Rf為繞組電阻，Lf為繞組等效電感，阻感性負載所加為電壓UAB。

PWM2相對于PWM1移相任意角度，有如圖2所示的a,b,c,d四種臨界情況[8-9]：

圖2中 α1= D1-D2，α2=1-D2，α3=D1，α4= 1。兩路脈沖同時導通則UAB=Ud，同時關閉則UAB=-Ud。移相任意角度，繞組上平均電壓為：

由(1)式可得D1,D2值決定平均電壓值從而決定穩態時平均電流大小。

2 移相不同角度對電流紋波的影響

由于移相角度會影響輸出電流波形形狀，因此下面分四種情況加以討論：

負載電流 i (t)[10-11]表達式為：

其中， Id=Ud/Rf，Te=Lf/Rf為繞組時間常數，I0為負載初始電流。當t/Te→ 0 時，公式(2)可以線性化為：

忽略VT1、VT2和D1、D2的導通壓降，由于開關頻率fp較高，因此開關周期TP<

求解線性方程可以得到輸出平均電流Im和電流波動幅值⊿Im：

由(7)式可得，當 α ＜（D1-D2）時， ΔIm為恒定值 D2( 2 -D1-D2)/Te，與α無關 。

2) D1-D2≤ α ＜1-D2

與(1)情形類似，α介于圖2中a和b情形：

在此范圍內，紋波值隨著α的增大而減小，此時在 α =1-D2時取得最小值：

同理，當α介于b和c情形，輸出電流線性方程X=AX+B中B= [ 0,Ia,0,Ia]T，則得：

d1d3

由于D2是兩個占空比中的較小值，由(11)式可推得當D1+D2值一定時，D1=D2時，移相角為α=（1+D1+D2），紋波具有最小值:

在此范圍內α介于圖2中c和d情形，輸出電流線性方程X=AX+B中B= [ 0,-I a,0,Ia]T，

d1d3

則得：

由(13)式可知，在D1＜α＜1范圍內，紋波隨著移相角度的增加而增大，當α=D1時紋波有最小值 ( D2+D1- 1 )(2 -D1-D2）IdTP/Te。

對以上四種情形，可得兩路PWM任意占空比組合的紋波最小值表達式：

顯然，電流紋波的最小值由D1,D2決定，因為勵磁電流大小由D1+D2決定，根據所需勵磁電流對應的兩路占空比之和D1+D2，選取不同占空比組合，由(14)、(15)式可得到最小紋波以及實現電流紋波最小的α值。兩路驅動信號占空比在D1≥D2≥0.5范圍內紋波最小值在四種情形中，情形(3)最小。由于二極管和IGBT導通壓降相對于Ud可忽略不計，為此為了簡化分析，忽略了二極管和IGBT的導通壓降。

3 仿真及實驗

在 Matlab中建立勵磁電流功率放大器仿真模型，并采用移相變占空比進行控制,仿真參數為：勵磁電壓Ud=32 V，繞組電阻Rf=0.65Ω，二極管導通壓降為1 V，IGBT導通壓降為0.8 V，繞組電感Lf=1.6 mH，開關頻率f=4 kHz。取D1+D2=1.2，按上文對于D1和D2取值要求選取多種組合進行仿真，取三種占空比組合仿真結果如表1所示。在D1≥D2≥0.5范圍內，三種占空比的組合均有:

D2> D2+D1-1> [ 1 - ( D1+D2)/2]，當 D1= D2，紋波有最小值 (1 - D2) (D1+D2- 1）IdTP/Te

對于每組占空比取得最小紋波的仿真圖形如圖4所示。實驗采用TI公司的TMS32028335為控制芯片產生兩路 PWM 信號，三菱公司的PM75RL060中的U、W兩相作為H半橋主電路。實驗參數與仿真參數相同。實驗電氣連接圖如圖5所示。

4 結論

本文結合H半橋勵磁電流開關功放提出了兩路不同占空比的PWM移相實現三電平的方法。在簡要介紹H半橋開關功放工作原理的基礎上，針對兩路不同占空比的PWM移相不同角度對于電流紋波的影響進行了詳細的分析。為了提高抗干擾能力，設定兩路PWM占空比均大于0.5，最

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根據實際需要的電流值，由本文所給出的公式計算求得兩路PWM信號實現電流紋波最小值時的占空比和相位差，實現了對勵磁電流更為精確地控制，進而使發電機輸出端的電壓更加穩定，該方法簡單有效，具有一定工程應用價值。

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