逆變電源數字PWM響應時間延遲探討

丁長健，孫恩林

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逆變電源數字PWM響應時間延遲探討

丁長健，孫恩林

（1.中海油能源發展股份有限公司，天津300000 ）

隨著微處理器技術的快速發展，基于DSP數字芯片的數字PWM控制器系統廣泛地應用于電力電子變換裝置中。但與此同時，數字PWM控制器所帶來的輸出響應時間延遲問題也逐漸為電力電子工程師們所重視，特別是對于大功率電力電子變換裝置，由于開關頻率受到限制使得這部分時間延遲顯得尤為突出。文中詳細分析了數字PWM控制器及濾波器和補償回路對逆變器響應時間延遲的影響機理，并利用matlab軟件和數學分析方法詳細分析了逆變器的響應時間延遲，最后，通過實驗數據驗證了理論分析方法和結果的正確性，為時間延遲的優化工作提供了理論指導。

數字脈沖寬度調制 逆變器 響應延遲 分析

0 引言

隨著船舶電力推進系統的發展，推進系統的負載功率不斷增加，多種形式的脈沖大功率負載對船舶電站功率提出了更高的需求，中壓交流（直流）綜合電力系統逐漸成為船舶電站發展的主流趨勢[1]。于是，船上變頻器、逆變電源等變流裝置都呈現出高壓、大電流的特點，而這些電氣特性決定了其功率器件IGBT的開關頻率不能過高[2]，否則會因為開關損耗過高而燒毀器件或導致變流器效率低下，而采用數字PWM控制方式，因離散化過程中采樣頻率往往等于功率器件開關頻率。因此，由采樣間隔時間過長導致的逆變電源裝置性能下降，跟蹤響應時間延遲變大等問題就顯得越發的突出和不可忽視[2,3]。

于是，為了優化船舶大功率逆變電源的輸出響應特性，使其能夠滿足系統性能需求，本文對影響逆變電源輸出響應時間延遲的主要因素進行詳細分析，為系統優化工作提供理論基礎。定義輸出電壓時間延遲為從給定電壓信號到電源輸出電壓達到給定值50%所需的時間。

1 逆變電源主電路及控制系統

逆變電源主電路采用H橋結構，主電路及系統控制框圖如圖1所示，調制方式為單極性倍頻PWM，控制器采用以DSP為核心的數字PWM控制方式。圖1(b)中，AD采樣、轉換及保持過程的時間延遲在1 μs以內（約為500 ns），數字PWM脈沖驅動器Concept的時間延遲為300 ns，逆變器IGBT（FF600R06ME3）開通時間t和關斷時間t分別為0.12 μs和0.73 μs，PWM驅動脈沖從驅動器輸出到IGBT的傳輸延遲為數μs，這些時間延遲都在μs量級，相對于其他部分的時間延遲來說都比較小，于是，在延遲分析的時候可以忽略。因此，逆變電源系統的時間延遲主要集中體現在數字PWM控制器和輸出級濾波器及吸收回路兩個方面。

（a）逆變電源主電路

（b）逆變控制框圖

圖1逆變電源主電路及控制框圖

2 對稱規則采樣數字PWM

逆變電源采用對稱規則采樣方式，采樣周期T等于三角載波周期T。為了實現數字控制，往往采用滯后一拍控制方式[4]，將當前采樣周期采樣計算的調制波控制量推遲到下一個采樣周期去更新控制量數據。

如圖2，在載波過零時觸發采樣中斷開始ADC采樣轉換，并更新控制量()，即上一采樣周期經采樣計算后所得調制波控制量的值；在第個載波周期的起始時刻，事件管理器產生下溢中斷啟動ADC采樣轉換，對調制波()進行采樣，DSP對采樣值進行相關控制算法計算，經過采樣計算時間t之后，得到對應的調制波控制量()，在第+1個載波周期過零時刻，更新比較寄存器TxCMPR的值為()。可以看出，相對于數據采樣時刻，數據更新點延遲了一個采樣周期T，亦即開關周期T。控制量()與三角載波()進行比較，發生比較匹配事件時，產生比較中斷，輸出PWM脈沖進行翻轉，得到對應占空比的PWM驅動脈沖[5]。

圖2對稱規則采樣PWM

(a)

(b)

圖3對稱規則采樣2種極限情況

圖3(a)中，采樣點剛好與調制波控制量的突變點t重合，控制量的突變被及時地采集到，會在下一個采樣及數據更新點進行數據更新，從而反映到負載側，有一個采樣周期T的時間延遲；而圖3(b)中，采樣點卻剛好錯過了控制量的突變點t，只有在下一個采樣時刻才能采集到控制量的突變情況，經2個采樣周期T才能將該突變情況反映到負載側。

于是，對稱規則采樣數字PWM過程的時間延遲為T~2T.

3 單極性倍頻PWM

如圖4所示，調制波控制量()與三角載波信號U比較產生兩路互補的PWM脈沖u、u分別驅動H橋中的開關器件VT1和VT2，()與相移180度的三角載波信號U比較產生兩路互補的PWM脈沖u、u分別驅動VT3和VT4，唯有開關器件VT1和VT4同時開通的時候，H橋才會有輸出電壓，即圖中的u。

由圖，從采樣及數據更新點t時刻到H橋響應輸出電壓時刻t之間有時間延遲，根據三角形相似原理有：

圖4單極性倍頻PWM

得出時間延遲：

于是

其中，Δ為時間延遲，T為開關頻率。

4 濾波器及吸收回路

為了更好地單獨分析濾波器及吸收回路對系統延遲的影響，忽略數字控制器及逆變電路的影響，假定IGBT處于完全開通狀態，此時可將前級電路等效為一個直流電源，如圖5。

圖5濾波器及吸收回路

由圖有，傳遞函數

代入數值可得()。

用matlab畫出其階躍響應曲線如圖6所示，由圖可得出，濾波器及吸收回路導致的系統延遲為40.6 μs。

圖6階躍響應曲線

5 實驗驗證

逆變電源系統IGBT開關頻率10 kHz，根據前面的理論分析，時間延遲為：

在電壓控制模式下，給定100 Hz正負方波信號V=4 V，輸出電壓波形如圖5所示，CH1通道為給定電壓信號，CH2通道為電源輸出總電壓波形。實驗測得逆變電源輸出電壓相對于給定信號的時間延遲為196 μs，這在誤差范圍內，所以，理論分析與實驗實測數據相吻合。

圖7輸出電壓實驗波形

為了進一步驗證理論分析的正確性，進行了多次試驗，并隨機選取幾個時間點的輸出電壓響應時間延遲，如表1所示，可以看出逆變電源輸出響應時間延遲始終在理論分析范圍內隨機變動。

表1逆變電源響應時間延遲實驗數據

6 結論

文中對影響逆變電源輸出響應時間延遲的因素進行了詳細分析，忽略一些影響小的環節后，重點分析了以DSP為核心的數字PWM控制方式的具體實現過程，明確了數字PWM對逆變電源響應時間延遲的影響機理，以及數字PWM控制器和濾波器及吸收回路對逆變電源輸出電壓響應時間延遲的影響情況。最后通過實驗所得的實測數據也驗證了理論分析方法的正確性和實用性，為下一步的響應時間延遲優化提供了理論基礎。

[1] 馬偉明. 艦船動力發展的方向——綜合電力系統[J]. 上海海事大學學報, 2004, 14（1）: 1-11.

[2] 余勇, 張興, 季建強, 等.大功率電流型多重化變頻電源系統控制與分析[J].中國電機工程學報, 2004, 24（12）: 24-28.

[3] 單鴻濤, 彭力, 孔雪娟, 等.數字化過程對脈寬調制逆變電源性能的影響機理[J].中國電機工程學報, 2009, 29（6）: 29-35.

[4] 孔雪娟.數字控制PWM逆變電源關鍵技術研究[D].武漢: 華中科技大學, 2005.

[5] 顧衛鋼編著.手把手教你學DSP—基于TMS320x281x[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2011.

The Analysis of Digital PWM and Inverter Delay

Ding Changjian, Sun Enlin

(CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300000, China)

TM464

A

1003-4862（2017）04-0023-03

2016-12-26

丁長健(1980-)，男，工學學士。研究方向：船舶工程建造項目管理。