逆变控制中关键技术的比较研究

逆变控制中关键技术的比较研究收稿日期:20082727作者简介:陈雷(1981-),男,汉族,河北保定,华北电力大学电力电子与电力传动专业在读硕士生,主要研究方向:电源技术应用,光伏技术应用。

陈　雷,赵艳军,石新春(华北电力大学,河北保定071003)摘　要:随着全球化石能源的紧张,新能源成为当前研究的焦点。

太阳能作为新能源中的一种,以其清洁无污染及取之不尽用之不竭的突出优点,成为科学家研究的重中之重。

由于光伏电池发出的电能均为直流电,对其配套设备-逆变电源的研究也就成为了一项重要的任务。

该文将常用逆变电源进行归类,并对其控制技术与驱动技术进行了比较研究,最后通过实验验证其可行性。

关键词:逆变电源;驱动技术;新能源The key technologies Comparative Study of inverter controlCheng Lei ,Zhang Y anjun ,Shi X inchuunAbstract :With the tensions of global fossil energy ,new energy becomes the focus of current research.As a new s olar energy in the new energy ,it has clean pollution -free and inexhaustible supply outstanding merits ,become the Scientists ’top research.As photov oltaic cells generate the DC power ,its supporting equipment -power inverter study als o become an im portant task.This paper classifies the power inverter ,and makes a com pare Study of its control technology and drives technology.And through experiment verify its feasibility.K eyw ords :power inverter ;drive technology ;new energy0　引言逆变电源是一种DC ΠAC 转换装置,它将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。

主要应用领域包括:1)太阳能发电、风力发电、燃料电池等新兴能源行业。

2)计算机机房、数据控制中心等中央控制区域。

3)开关设备、程序逻辑控制等工业过程控制。

4)电信行业中枢和无线应用等场合。

5)民用DC -AC 转换、小型独立光伏发电等偏远无人区。

逆变电源应用广泛,在电能变换过程中起着举足轻重的作用。

因此本文对常用逆变电源的种类进行了归类,并且对其驱动技术与功率管保护进行了比较研究。

1　常用逆变电源的种类1.1　根据输入电压的不同进行分类1)输入电压:12V DC Π24V DC适用场合:太阳能发电、电信行业等。

2)输入电压:48V DC Π60V DC适用场合:IT 行业。

3)输入电压:110V DC Π220V DC 适用场合:电力行业、工业企业、铁路交通等。

1.2　根据控制方法不同进行分类1)PW M 控制,主要适用于方波逆变器、准正弦波逆变器。

・84・2)SPW M 控制,主要适用于正弦波逆变器。

2　常用逆变电源主电路的设计对于常用逆变电源,其输出通常为工频交流电能,即220V Π50H z 的交流电。

其主电路通常有两种常用形式。

2.1　采用工频变压器的逆变电路图1　带工频变压器的逆变主电路由图1可见,主电路采用了工频变压器。

因为工频变压器的存在,往往逆变器的功率密度小、体积大、而且十分笨重。

因此,采用工频变压器的逆变器正逐渐被更加优化的电路所代替。

2.2　前级高频升压,后级工频逆变的主电路设计图2　前级采用高频升压,后级采用工频逆变的主电路对于图2所示的主电路为目前常用的主电路,由于采用高频升压和工频逆变相结合的方法,使得电路体积更加精巧,携带方便,并且,近一步减少了工频变压器的损耗,提高了逆变器的效率。

由于采用了SPW M 控制,使逆变器输出220V Π50H z 的工频交流电,最大限度的减少了输出电流的谐波畸变率TH D 。

3　逆变调制技术3.1　PW M 调制对于PW M 调制通常采用的芯片为T L464和SG 3525。

采用这两款芯片,可以产生较高频率的方波,适合于高频逆变电源的实现,并且芯片价格低廉,特别适合对输出要求不高的负载,特别是阻性负载。

3.1.1　芯片简介由于SG 3525(见图3)采用图腾柱式输出,可以直接驱动功率管,因此,目前应用较多。

图3　SG 3525管脚图SG 3525为定频率PW M 芯片,并且带有软启动端。

3.1.2　SG 3525产生PW M 接线原理图SG 3525产生PW M 接线原理图见图4。

图4　SG 3525产生PW M 接线原理图3.2　SPW M 控制SPW M 控制是在逆变器输出交流电能的一个周期内,将直流电能斩成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的脉冲序列,该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲,经过滤波后得到正弦波交流电能。

对于SPW M 控制通常采用双极性SPW M 控制和单极性SPW M 控制。

3.2.1　单极性SPW M 调制原理三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性,所得的PW M 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化,称为单极性PW M 控制方式(见图5)。

・94・3.2.2　双极性SPW M 调制原理三角波载波始终是有正有负为双极性的,所得的PW M 波形在半个周期中有正、有负,则称之为双极性PW M 控制方式(见图6)。

图5　单极性SPW M调制原理图图6　双极性SPW M 调制原理图3.2.3　SPW M 的DSP 实现采用DSP 控制时,逆变输出被很好的调制,即使带非线性负载,失真也很小。

同时动态响应也很高,增加了冲击性负载的驱动能力。

1)DSP 比较单元功能结构原理图DSP 比较单元功能结构原理图见图7。

图7　DSP 比较单元功能结构原理图2)SPW M 的DSP 软件实现(1)编制正弦函数表,存放正弦函数采样值。

每经过一个周期性的间隔从该表读出正弦值,然后将它写入占空比寄存器。

(2)设置计数寄存器为连续增减计数,可以模拟三角波的发生。

(3)比较寄存器中存放正弦幅度值。

与计数寄存器中的值不断进行比较,再送入DSP 的PW M 电路,通过全比较有效控制寄存器的设置就可以输出所需的SPW M 波。

(4)软件中的正弦指针变量用于定义表中的当前位置。

必须以周期性的间隔调节此指针。

(5)查表长度通常设置为2的偶次幂,如64、128。

因此每次改变指针的值后均无需软件检查该值。

该指针满返回并复位为0。

(6)表中点的数量确定没有明确的答案。

点太少将导致输出波形的“阶梯“效应。

太小则会用尽MC U 宝贵的存储空间。

经验选取表中值的个数公式如下:表中值的个数=f p wm Πf sp式中f p wm 为载波频率,f sp 为输出SPW M 要求达到的频率。

(7)为了获得索引值以从表中查找正弦数据,将16位正弦指针右移以丢弃“正弦表指针”部分中描述的“小数”位。

(8)如果输出为三相,且使用的指针大小为16位,那么0X5555提供120度的偏移。

(9)对于中断函数的编写,通常采用定时器中断。

3)数字化SPW M 死区的设计对数字化SPW M 为防止驱动的上下桥臂同时导通,需要进行死区调制。

DSP 带有死区控制端。

可以设定死区时间。

4)DSP 实现的双极性SPW M实验波形图8　经死区控制的SPW M1和SPW M2输出波形・05・从图8中可以看到,输出波形反向,驱动上下桥臂两功率管交叉导通。

并且通过实验证明使用DSP 实现的SPW M ,波形稳定,谐波量少。

4　逆变中功率管的保护4.1　功率管的选择逆变所使用的功率管为MOSFET 和IG BT。

并且小功率逆变电源通常使用MOSFET ,大功率大电流的逆变电源则最好选择IG BT 。

4.2　IG BT 的优点1)输入阻抗高,栅极驱动功率小,驱动电路简单。

2)开关速度快,关闭时间短。

3)安全工作区大,在使用中不易损坏。

4)与MOSFET 相比,IG BT 电流密度大,开通电阻小,饱和压降低。

因此,在实际工程中IG BT 应用较多,本文以IG BT 为例对功率管的保护进行了设计。

4.3　IG BT 常见故障1)过热损坏由于集电极电流过大引起的瞬时过热损坏,以及其他原因引起的持续过热损坏。

2)集电极和发射极之间过压损坏。

3)栅极过压损坏。

因此有必要设计IG BT 的缓冲电路,使它能够承受大电流的瞬间冲击。

4.4　IG BT缓冲电路的设计图9　IG BT 功率模块等效电路在图9中,当G 1管正常导通工作时,流过负载电流I 现将G 1管关断,G 1管恢复阻断能力过程中,由于续流二极管D1有延时导通时间T 。

同时主电路中有电感存在,则负载电流I 不能突变,延时导通时间T 内迫使负载电流I 经G 1管集电极与发射极间的寄生电容流通,且在功率管上产生关断损耗,此时G 1管两端电压的变化规律为:V CE =1C CE∫TIdt =I 3T ΠC CE当导通时间T 一定时,功率管关断过程中,若能在集电极与发射极两端并接上一个容值较大的电容C ,则可将部分负载电流从功率管上转到电容C 上,降低功率管上的关断损耗,限制过高的出现,此时:V CE=1C CE +C∫TIdt =I 3T Π(C CE +C )因此,并联的电容越大,功率管上的关断损耗越小,功率管的工作性能越稳定。

对于MOSFET 其保护电路与IG BT 基本相同,对功率管的保护是很有必要的,以延长功率管的使用寿命。

5　逆变中功率管的驱动电路5.1　驱动芯片的选取对于MOSFET 通常选用的驱动芯片为IR2110,IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自居浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。

对于IG BT 等高压大电流的功率管通常选用EX B841系列。

对于IG BT 通常采用两种驱动方法进行驱动。

1)直接驱动法为了使IG BT 工作稳定,通常采用双电源进行供电,即采用带有正负偏压的两电源方式。

2)隔离驱动法隔离驱动法通常采用变压器隔离(见图10)和光耦隔离两种方法。

图10　变压器隔离驱动采用变压器隔离的方法进行驱动,电路简单,由于采用了变压器,增加了体积,所以通常在小功率的驱动电路中使用。