基于HPWM調制技術的車載逆變器設計

李　棟，易映萍，謝　明，肖　飛(.上海理工大學，上海00093；.許繼集團有限公司，河南許昌46000)

基于HPWM調制技術的車載逆變器設計

李棟1，易映萍1，謝明1，肖飛2
(1.上海理工大學，上海200093；2.許繼集團有限公司，河南許昌461000)

介紹HPWM調制技術工作原理，并基于HPWM調制技術設計了純模擬控制的大功率車載逆變器。該車載逆變器采用了DC/DC和DC/AC兩級變換結構，并且此逆變電源采用了純模擬方案。闡述了基于HPWM調制技術的車載逆變器的工作原理，給出了實現后級ZVS的條件，對兩級變換電路設計進行了詳細介紹。實驗結果表明，此逆變電源設計合理、運行穩定可靠。

HPWM；車載逆變器；ZVS

車載逆變器電源作為在移動中使用的直流變交流的轉換器，成為常備的車用電子裝置用品。大功率的車載逆變器通過電瓶，將產生穩定工頻交流電。車載逆變器作為常用設備，500 W以上的大功率較為少見，并且多數大功率的車載逆變便器有成本高、穩定性差等缺點[1]。車載逆變器作為汽車上的電能轉換設備，效率和安全是尤為重要的，降低損耗和減少諧波則是實現高效能和安全可靠的重要指標。本文設計的車載逆變器基于HPWM調制技術，該調制技術具有較低諧波和較少開關損耗的優點，結合本文所使用的拓撲結構可以實現零電壓開關(ZVS)，從而減少開關損耗[2]。

1 HPWM調制技術

H橋逆變器是逆變器中廣為使用的拓撲結構，基于H橋逆變器的主要調制技術有：(1)雙極性PWM(BPWM)：因為容易實現，所以使用較為普及，但是其諧波含量較多并且難以濾除，這些缺點將對車載逆變器的安全和可靠性帶來較大影響。(2)普通單極性PWM(UPWM)：該控制方式相對BPWM有較少的諧波分量和較少的開關損耗，但是阻感負載下由于換流時UPWM調制技術下的橋臂不工作與調制狀態，將使諧波分量增加，并且該調制技術會使功率開關管的壽命不均等[3]。

為了克服以上缺點，本文提出新型的調制技術混合性SPWM(HPWM)，該調制技術本質上仍然是單極性PWM調制技術。HPWM調制技術具有開關損耗小、阻感負載換流時橋臂處于可控狀態、諧波分量少、開關管壽命均衡等優點。BPWM調制技術、UPWM調制波形、HPWM調制波形分別如圖1所示。

圖1　BPWM調制技術、UPWM調制波形、HPWM調制波形

本文使用Matlab/Simulink仿真，對三種調制技術進行仿真驗證。

H橋逆變器的主要仿真參數如下：阻感性負載：電阻負載10 Ω，電感0.5 mH；LC濾波器：濾波電感0.6 mH，濾波電容0.47 μF；直流輸入電壓360 V；載波頻率20 kHz；調制波頻率50 Hz；輸出電壓280 V。

仿真結果如圖2所示。

圖2　仿真結果

通過仿真驗證了以上所述內容，而UPWM的諧波分量比HPWM高也正是因為UPWM在換流逝橋臂處于不可控所帶來的影響。

2 電路拓撲結構和工作原理

前級的DC-DC升壓電路選取推挽電路作為前級電路的拓撲結構。推挽電路具有很好的對稱性。推挽電路典型波形如圖3所示。

圖3　推挽升壓電路理想波形

由圖3可知推挽電路具有4種工作狀態，由于對稱性，本文只對t0-t2工作狀態進行分析[4]，工作狀態如圖4所示。

圖4　推挽升壓電路狀態

[t0，t1]狀態1：開關管S1開S2關，繞組N1有電流流過，感應電壓。繞組N2有電流輸出，能量向負載輸出。S2上的電壓為2V1。狀態1電路如圖4(a)所示。

[t1，t2]狀態2：在t1時刻開關管S1關斷，開關管在t1-t2內全部關斷，繞組N2不產生電壓，濾波電容支撐負載電壓。使用RC電路消耗漏感能量，從而避免開關管的尖峰電壓。狀態2電路如圖4(b)所示。

后級采用H橋作為拓撲結構，采用Mosfet作為開關管。并聯的小電容是Mosfet輸出結電容的等效，即C1～C4，有C1= C2=C3=C4；VD1～VD4為Mosfet的體二極管。由于工作狀態對稱，本文僅對正半周進行分析，主要波形如圖5所示。在正半周期，電路具有6種狀態[5]，如圖6所示。

圖5　H橋電路主要波形

圖6　H橋6種模態

[t0，t1]狀態1：VT1和VT4導通，濾波電感Lt的電流為線性增長，t1時刻VT1關斷電流停止增長。

[t1，t2]狀態2：t1時刻，VT1關斷，Lt續流，VT1流過的電流向C1和C3支路轉移，此時C1充電，C3放電。C1、C3的存在，可以使VT1零電壓關斷。由于t1到t2的時間很短，電感可以等效為恒流源，即電流近似不變。則C1電壓為線性增長變化，C3兩端電壓為線性減少。C3電壓到t2為零，VD3自然導通。

[t2，t3]狀態3：在t2，VD3導通，VT3為零電壓導通。而此階段，VD3與VT3進行換流，VD3為同步整流狀態，Lt零續流狀態，Lt的電流線性變化，t3減小到零。

[t3，t4]狀態4：Lt續流結束，Lt電流反向增大，Lt上電壓為－Uo，Lt儲能，VT3電流線性增加，到t4時刻VT3關斷。

[t4，t5]狀態5：狀態5與狀態2類似，VT3關斷，C3充電，C1放電，VT3零電壓關斷。在t5時刻，C1的電壓減小為零，VD1自然導通。

[t5，t6]狀態6：t5時VD1導通，VT1開通，VT1零電壓開通。VT1和VD1進行換流，VT1為同步整流狀態，向電源回饋能量，Lt的電流負向減小到零。

通過式(1)～式(6)可以得出實現ZVS的條件。

由式(7)可以得出若想實現ZVS則在電路設計時需要注意：

(1)由于一般情況下I1＆gt;I2，所以有tdead1＆gt;tdead2。H橋的下橋臂驅動電路可以加二極管電阻網絡，這樣可以增加下橋臂的驅動能力，從而使下橋臂驅動電路的死區時間加大。

(2)ZVS的實現需要對Lt最大值有限制，這就很有可能使濾波電感具有較大的電流脈動，因此在選取磁芯時，務必選取電阻率較高、磁芯損耗小的磁芯材料。

3 車載逆變器的電路設計

3.1DC/DC電路設計

DC-DC變換的拓撲結構是推挽拓撲結構，將汽車蓄電池輸入電壓升壓至直流高電壓，對于前級推挽電路使用SG3525控制芯片。模擬電路構成閉環PI調節。針對前級電路設計了短路與欠壓保護，來確保整個車載逆變器的安全。

3.2DC/AC電路設計

DC-AC電路設計主要是對后級的H逆變橋的主電路進行設計，主要為母線電容選取、LC濾波、控制電路設計。直流母線電容是關鍵參數，由式(8)進行計算。

式中：Ps為輸入功率；Vs為直流電壓；η為效率；w為輸出電壓角頻率。

LC濾波濾除高次諧波，計算濾波電感時，電流紋波為主要考慮因素，式(9)為計算公式。

LC截止頻率為載波頻率的1/10～1/5，可得到電容計算式(10)。

截止頻率200 Hz，可以濾除高次諧波[6]。實際中，該LC濾波器呈現較好的濾波效果。

后級逆變電路使用TDS2285控制芯片，配合硬件死區電路和圖騰柱電路加強驅動能力，后級電路實現了低開關損耗和EMI的目的[7]。

4 仿真研究

為了驗證設計的可靠性，采用Matlab/Simulink對車載逆變器進行仿真。仿真參數：輸入電壓13 V，HPWM頻率27 kHz，LC濾波器1 mH、4.7 μF，前級母線電容12 mF，后級母線電容330 μF。輸出電壓波形及快速傅里葉變換(FFT)分析，如圖7所示，輸出電壓的諧波電流失真(THD)為1.95％，輸出為較好的正弦波。

圖7　輸出電壓的FFT

5 實驗驗證

為了驗證整個設計的合理性，本文研制了車載逆變器樣機，進行實驗測試。輸入電壓為12～14 V，輸出電壓為225 V，50 Hz。實際調試時，樣機有效實現電壓閉環，諧波含量少。輸出電壓和電流波形(電流鉗方向為反相)如圖8所示。ZVS波形如圖9所示。

圖8　輸出電壓、電流波形

圖9　ZVS波形

說明：本文中所設計的車載逆變器已經申請專利，專利號：ZL201420002317.4。

[1]朱保華.對車載逆變電源技術的研究[J].中國電力教育，2009(S2): 208-210.

[2] 彭小兵.一種新型SPWM逆變器[J].電工技術，2004(3):52-56.

[3]胡興柳.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現[J].機電工程，2004(1):38-41.

[4] 張占松.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2001: 46-58.

[5]彭小兵.高頻脈寬調制技術在逆變器中的應用[J].電源技術應用，2003(7):340-343.

[6]林維明.滿足新版IEC1000-3-2標準規定的單相LC濾波整流器的設計[J].電工電能新技術，2002(2):1-5.

[7]王志強.開關電源設計[M].2版.北京：電子工業出版社，2005: 25-44.

Car inverter design based on HPWM modulation technique

LI Dong1,YI Ying-ping1,XIE Ming1,XIAO Fei2
(1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Xuji Group,Xuchang Henan 461000,China)

HPWM modulation technology works were described,and pure analog was designed to control power car inverter based on HPWM modulation techniques.DC/DC and DC/AC conversion structures were used by car inverter,and pure analog solutions were chosen by this inverter.The text-based automotive inverter HPWM modulation technology works were elaborated,and the conditions were given to achieve the level ZVS.The two-stage conversion circuit design was analyzed in detail.The experimental results show that this power inverter design is reasonable,stable and reliable operation.

HPWM;car inverter;ZVS

TM 464

A

1002-087 X(2016)01-0180-04

2015-06-12

國家高技術研究發展計劃(2012AA050206)

李棟(1990—)，男，新疆維吾爾族自治區人，工學碩士，主要研究方向為電力電子技術。