基于DSP的三相高頻逆變器

李 維，陳輝明

(浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

隨著電力電子技術的不斷發展與進步，對電源的輸出頻率、工作可靠性和效率等方面的要求進一步提高[1]。在高頻逆變器工作過程中，為了改善電源質量、提高電源效率，常常使用串聯諧振式的補償方案，使逆變器工作在功率因數等于或接近于1的諧振或準諧振狀態，要求逆變器能自動跟蹤負載的固有諧振頻率[2]。傳統的鎖相環通常采用集成芯片CD4046，但是以CD4046控制芯片為控制單元的系統存在著一定的不足[3]，PLL電路可能會出現失鎖的現象。

電磁抹拭(EMW)裝置尚處于研發階段，本研究根據電磁抹拭的技術機理[4]，提出三相高頻逆變器的解決方案，采用串聯諧振式的補償方式，設計以數字信號處理器TMS320F28035為核心的閉環控制系統;同時通過實驗樣機的制作與實驗，驗證控制方案設計的正確性。

1 系統結構

本研究基于電磁抹拭裝置而提出的三相高頻逆變器結構圖如圖1所示[5-8]。

圖1 三相高頻逆變器拓撲結構圖

該系統主電路主要包括三相AC/DC不控整流橋，電壓型三相逆變橋，負載高頻匹配變壓器T，諧振電容C以及三相負載感應線圈L。逆變器選用英飛凌公司的IGBT模塊。控制電路主要包括數字信號處理器DSP TMS320F28035核心的控制電路，信號采集與調理電路以及PC929光耦隔離觸發驅動電路。

2 控制系統分析與設計

高頻逆變器工作在容性狀態時，特別是在開關管大電流關斷的情況下，二極管的反向恢復會比較嚴重，在橋臂間的引線電感上引起很高的Ldi/dt，導致開關管過壓擊穿，因此，這種情況會極大的降低電源的可靠性。而工作在感性狀態時，二極管自然換流，IGBT在零電流下開通，開通損耗較小[9]。

基于以上情況，本研究設計的控制結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構原理圖

傳遞函數框圖如圖3所示。

圖3 傳遞函數框圖

逆變器主控制方式采用雙環結構，電流環與內部數字鎖相環。逆變器輸出高頻電流經過采樣調理電路得到A相輸出電流幅值Iao，給定電流值If與Iao的差得到輸出電流誤差信號，經過控制器Gc1(s)，限幅輸出作為相位內環的相位給定值θf。內部鎖相環采用平均值鎖相方式，即將輸出電壓相位脈沖信號移相90°，與輸出電流脈沖信號經過異或門輸出，經濾波之后得到相位信號θa，θf與θa的差得到相位誤差信號，經過控制器Gc2(s)，限幅輸出給壓控振蕩器(VCO)，輸出脈沖驅動信號。

為了使三相都工作在感性狀態，本研究在雙環的基礎上添加了一個限相環。限相環的工作原理如下:隨著逆變器輸出頻率的降低，輸出電流增加，當任何一相的相位信號即將進入容性狀態或超出了限相值θmax時，限相環輸出θL，使逆變器的輸出頻率增加，直到電路達到新的平衡，從而有效地防止逆變器進入容性狀態。

電路正常工作過程如下:電路啟動時，系統工作在最大頻率，逆變器輸出三相電壓，電路幾乎工作在全感性狀態，此時輸出電流很小。當增大給定電流參考并超過輸出電流幅值時，經過雙環作用，使系統的輸出頻率降低，輸出電流增大，直到電路任何一相工作在諧振或準諧振狀態，此時輸出電流達到最大值;反過來，當給定電流參考減小并低于輸出電流幅值時，系統的輸出頻率增加，使輸出電流減小，直到輸出頻率為系統固有輸出頻率最大值，此時電流達到最小值。

2.1 控制器設計與數字化

本研究的控制器設計采用PI控制器，為了在DSP中實現該算法，本研究采取雙線性變換[10]對補償器進行離散化。對于PI控制器，有:

在該設計中控制器參數如下:

2.2 軟件設計

系統利用TMS320F28035中的EPWM模塊產生6路IGBT驅動信號，三相驅動信號互差120°，由死區控制寄存器實現死區控制。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3 實驗及結果

本研究根據如圖1所示的結構設計并制作了一臺實驗樣機，部分參數如下:輸入電壓為三相交流電220 V，額定輸出功率10 kW，系統諧振工作頻率為33 kHz。逆變器輸出電壓、電流波形如圖5所示。

圖5 輸出電壓電流波形

從圖5中可以看出，當三相負載不平衡時，通過限相環的作用，當B相達到準諧振狀態，即B相相位被鎖定在限相值，系統的諧振頻率不再降低，A、C相工作在感性狀態，此時IGBT零電流開通。

4 結束語

本研究設計并制作了一臺三相高頻逆變器，根據串聯諧振式負載的特性，提出了采用DSP作為核心控制芯片的數字控制方案，并詳細給出了其控制策略。

理論研究與實驗結果表明，該控制策略實現簡單，能有效地跟蹤負載的諧振頻率，并且實現開關管的零電流開通;系統工作穩定可靠，能有效調節逆變器的輸出功率，是一種比較實用的解決方案。

該方案可以為相關的系統研究提供參考。

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