SPWM技術中頻逆變電源的載波研究與測試

朱學森，胡 輝，黃 浩，牛建輝

(北華航天工業學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

正弦脈寬調制是在PWM的基礎上改變調制脈沖的方式，脈沖寬度時間占空比按正弦波規率排列，經過驅動隔離電路，在給信號提高驅動能力的基礎上又隔離了輸出與控制電路，有效保證了控制電路的安全性，再經過開關管的全橋逆變電路輸出具有帶載能力的PWM脈沖信號，這樣輸出的波形經過合適的濾波電路就可以得到有帶載能力的正弦波[1-2]。

SPWM波形的生成采用異步雙極性調制，載波選用三角波信號，載波頻率100 kHz，輸出正弦500 Hz，輸出電流0～2 A，輸出電壓30 V，此時載波比N=200。

1 三相電源系統的設計結構

三相正弦電源由DC電源模塊、逆變MOS管電路、STM32核心控制、信號隔離驅動電路、LC濾波電路等組成[1]，整體系統結構如圖1所示。

圖1 三相正弦系統

用STM32高級定時器TIM1產生正弦脈沖調制信號(SPWM)，經光耦隔離驅動電路提高SPWM波的驅動能力，6路SPWM信號發送給6個MOS管，通過MOS管的開關作用將直流電轉換成交流電。

開關管選用IRFS3607，最大輸出電流80 A，耐壓75 V。濾波電路鐵氧體磁環電感1 mH，磁環初始導磁率為90，CBB電容3.3 uF，理論截止頻率2.77 kHz。

2 軟件程序設計

筆者采用STM32F407做主控制器，此處主要介紹SPWM調制波形的生成方法。使用STM32的高級定時器TIM1做3路互補輸出PWM，計數方式采用中心對齊方式，開啟中斷；在程序中斷回調函數中，做正弦波數據與三角波的調制比較值的更改，即改變每個輸出脈沖波形的占空比按正弦波變化的規律變化。載波頻率即PWM輸出頻率。

調制方法選用異步單極性調制，保持載波頻率不變，改變調制波頻率，實際在單片機程序中體現為改變載波比N的值。載波比N值不能太小，因為載波比N值決定了一個調制周期內脈沖的個數，如果N值小，那么脈沖數就小，輸出SPWM波形的脈沖不對稱性就會增大[3-4]。

3 輸出測試系統

波形檢測采用TELEDYNE公司的HDO9000四通道示波器，功率輸出采用橫河電機WT333數字功率。WT333數字功率計基本精度為讀數的0.1%，可測量三相電源相電壓、線電壓、線電流、諧波失真率THD等。直流供電源采用漢晟HSPY-120-93直流電源，輸出電壓電流可調。

負載采用0～100 Ω可變電阻器，并采用星形連接。本系統借助WT333測量輸出電壓電流變化，并記錄諧波失真率THD值、示波器觀測波形輸出、當前頻率值與任意兩相的相位差。100 kHz載波下的數據如表1所示，可以觀察到示波器在電流1.4 A時的波形變化。

表1 100 kHz載波電壓電流數據

由表1可以看到，當電流變大時，輸出波形出現明顯變化，輸出電壓降低，輸出波形紋波變大，諧波失真率THD變大。基于此現象，筆者提出以下問題：是什么影響輸出波形的失真與輸出電壓的降低？

猜測一：LC濾波器截止頻率太低，影響了濾波性能，筆者嘗試進行如下實驗測試。

將電感參數換為耐流值5 A，1 mH，電容換為1 uF，此時，將理論截止頻率5.03 kHz再次做通電測試。載波100 kHz改善后的電壓電流如表2所示。

表2 100 kHz 改善濾波后的電壓電流

由實驗結果可知，波形失真有一定改善，但是在壓降電流增大時壓降更明顯，且輸出紋波變大。這說明截止頻率設高之后濾波不完全。

猜測二：載波頻率太大，當電流增大時帶給開關管器件的負擔變大，導致開關管器件不能正常工作。

實驗人員需要測量輸出電流為200 mA時的濾波前波形和輸出電流為1.4 A時的濾波前波形。輸出電流為1.4 A時的濾波前波形如圖2所示，MOS管輸出波形無明顯失真，輸出載波頻率在MOS管開關頻率范圍內。

圖2 輸出電流為1.4 A時的濾波前波形

猜測三：載波頻率太大，當電流增大時，電感的磁通量不足，使得電感L上的分壓變大，導致濾波效果不好。

實驗人員將載波調小到21 kHz，并觀察LC濾波后的輸出波形，主要觀察輸出電流為1.4 A時的載波波形。21 kHz載波輸出時的電壓、電流數據如表3所示。

表3 21 kHz載波輸出電壓電流

輸出載波為21 kHz，輸出電流為1.4 A時的輸出波形如圖3所示，濾波波形得到明顯優化，但是輸出波形平滑度不夠，還有一些毛刺。

從圖2、圖3可以看到，在開關管開關時，會對另一個MOS管進行干擾毛刺，當電流增大時毛刺增大，這時需要在開關管DS極之間加入RCD吸收電路。并且，從上述實驗中能得到電感L的磁通量不足的問題[5]。

圖3 輸出載波為21 kHz，輸出電流為1.4 A時的濾波后波形

圖4 三相開環逆變仿真

在Slimlink中進行LC濾波輸出波形，獲得的FFT分析結果如圖5所示。

圖5 SimlinkFFT仿真

重新選取LC濾波參數之后，得到的THD值為0.56%。

4 測試結果討論

載波頻率不能直接影響輸出電流能力，而是載波頻率過高會使開關管負擔變大。當載波頻率過高，沒有負載電流時，開關管輸出壓力小，能正常工作；當負載電流增大時，開關的尖峰脈沖也會增大，會縮短開關管的使用壽命，同時電感上的分壓和相移也會增大，影響輸出波形，并且當電流增大時，開關管相互間的影響毛刺也會變大，這些毛刺會影響輸出的波形，甚至損壞開關管，縮短其使用壽命。所以，測試人員需要加入RCD吸收電路改善這種情況[9]。

此外，在測試波形問題時，當把載波頻率調小，保持調制波頻率不變時，輸出的三相正弦波形的相位差會改變，不再是標準的120°。通過查閱資料與多次反復調整載波頻率得出結論：載波頻率增大時，通過LC感性負載的相移影響會減小。

在測試過程中，載波頻率繼續減小，輸出波形不會持續優化，當載波比N小于30時，輸出波形會出現波紋，毛刺也會變多。

5 結語

載波頻率高可以使輸出波形在LC濾波之后的相移影響變小，同時載波頻率的值受到電感磁通量的限制，高載波頻率需要大磁通量線圈支持，這樣濾波器的體積就會變得很大，不符合逆變電源輕量化趨勢。

筆者在系統調試時發現，只要輸出電流增大，輸出濾波后的正弦電壓必然會發生一定程度的下降，即電感的阻抗損耗。針對這樣的情況，后續使用時，技術人員可以加入閉環反饋系統，保證輸出的穩定性。