标准正弦波电源的SPWM调制方式的实现

陈 燕  王岩崧 张庆祥
 

摘要  本文给出一种输出为标准正弦波的电源的SPWM调制方式的实现方法，相位相差180°的两个正弦波经过三角波调制成方波，方波进入GAL，通过逻辑运算，得到SPWM波，作为MOS管的驱动。该方式用在安规表上，取得很好的效果。
关键词：    单极性  脉宽调制技术  正弦波

1.PWM调制技术
        PWM (Pulse Width Modulation)就是脉宽调制技术，理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，效果基本相同。所以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，就可以等效地获得所需要的波形。正弦波一个完整周期的等效PWM波形如图2所示。根据面积等效原理，正弦波还可等效为图1中的PWM波，若要改变等效输出正弦波的幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术，该技术分为双极性调制技术和单极性调制技术两种，输出波形与图1和图2相对应。

2 SPWM调制技术
        SPWM（单极性调制）的输出波形如图2，正半周输出正极性的方波，负半周输出负极性的方波，与开关管对应起来就是：一个高频臂和一个低频臂是一对，高频臂之间为互补开关，低频臂之间也为互补开关，仅用一对高频开关。双极性调制技术的输出波形如图1，该波形驱动对角的一对开关管使其同步开关，桥臂上下管之间除死区时间外为互补开关，它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大[1]。所以相对于双极性调制，单极性调制具有损耗低的特点。 

  
图1 双极性PWM控制方式波形        

图2 单极性PWM控制方式波形图 

3 SPWM调制的实现
3.1主电路拓扑结构
        使用单极性调制的方式不仅损耗小，而且逆变器输出电压谐波分量比双极性要小，理论分析已经证明了它的这一优点[1]，实验也证明了这一点。但是单极性控制电路相对复杂。
为了得到高质量的正弦波，尽可能小的失真度，以及较低的功耗，应用中我们采用的单极性SPWM调制技术如图3，采用四个MOS管作为SPWM脉冲的开关，两个快臂，两个慢臂，实际应用中每个MOS管还要加上相应的脉冲吸收回路对其进行保护。

3.2 控制方式
        在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。我们所采用的是外环为电压环、内环为电流环的双环控制策略，实现单极性的SPWM控制方式，如图4，输出功率500W。

图3

图4 驱动电路实现框图

3.3 调制方式
        单极性PWM调制方式的实现有两种方式，一种是三角波与参考正弦波同步换相，如图2所示，二是利用正弦波与载波――三角波进行比较得到一组双极性PWM波，同样此正弦波反相后与载波――三角波进行比较得到另一组双极性PWM波，如图5所示，这两个波经过一定的逻辑运算便可以得到图2所示的单极性单边的SPWM波，SPWM波的频率为三角波的频率的两倍。得到的SPWM波送到驱动回路，作为快臂的控制信号。慢臂的控制信号是与正弦波同步的方波。由于控制环节的延迟作用第一种控制方式容易在输出正弦波的过零点处产生振荡[2]，因此我们采用第二种逻辑运算方式实现SPWM的驱动信号。给定标准正弦波与电压反馈比较后通过PI调节作为电流环的输入，再与电流反馈比较后通过PI调节得到一正弦波。该正弦波及其反相波分别同时与三角波进行比较得到如图5中的两个波形A、B，那么正半周SPWM＝/A·/B，负半周SPWM＝/（A·B）。这样通过逻辑运算得到所需的SPWM波。
对于逻辑运算的实现，采用编程逻辑器件ATF16V8B，该元件的程序可以在PROTEL环境里用原理图编译得到，设计起来非常方便。实现该逻辑的原理图如图6所示，该原理图在PROTEL里通过编译生成可以烧写的程序。 

     
图5


图6

3.4输出滤波
        逆变器输出电压经LC滤波成标准正弦波，谐波分量主要集中在开关频率及其倍频附近，单极性倍频调制方式输出电压的谐波分量主要在2倍开关频率及4倍开关频率附近。选择PWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率为开关频率的I／I0，LC滤波器对开关频率及其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。滤波后取反馈电压和反馈电流。

4 实验结论
        采用单极性PWM调制的控制方式，不仅得到较小的失真度，而且通过瞬时值反馈控制，可以获得快速的动态性能，保证电源输出电压畸变率较低。与MCU实现的PID控制相比具有明显的快速跟踪性能。实现的波形如图7所示，经过LC滤波后，在20v－100V的范围内失真度小于1％。而且带容性负载时的畸变不大。

图7

        将该电路用于安规系列产品中，通过升压器产生高压，对被测件进行耐压性能的测试，收到良好效果。由于电流电压反馈的存在，该电路具有明显的快速跟随特点。在负载为30PF时，将这种双环瞬时反馈的控制与数字PID控制所得到的输出波形进行比较，发现这种瞬时控制下波形稍有畸变见图8，而数字PID控制方式下波形畸变非常明显，已经不是正弦波了，失真度非常大，见图9。 所以该电路在安规产品中的应用对该产品的性能有很大的提升。

        
图8 输出波形（30P容性负载）                         图9 数字PID控制（30P容性负载）
 

参考文献：
1. 朱朝霞   正弦波输出变压变频电源调制方式的研究  电源技术应用
2. 阳岳丰 吕征宇 全桥逆变单极性SPWM控制方式过零点振荡的研究 21IC中国电子网