使用SPWM產生器為可再生能源應用設計逆變器

作者 : Alberto Leibovich、Pablo Leibovich;Dialog Semiconductor  

本文討論SPWM產生器的建置,SPWM產生器是實現常用於馬達控制和可再生能源等應用的功率逆變器時最廣泛使用的方法之一,包括SPWM產生的每個步驟,以及如何在輸出端進行連接和濾波。

可再生能源仍然是全世界的發展大勢。隨著風能、太陽能和其他形式的可再生能源採集方法不斷發展,可再生能源系統的成本和效率對於公司和消費者都越來越有吸引力。事實上,2016年,全球對可再生能源的資本投資跌到了多年來的最低水位,但是卻創下了一年內可再生能源設備安裝數量最多的記錄。

在用於可再生能源系統的元件中,逆變器(inverter)是一項尤其關鍵的系統元件。由於大多數可再生能源都是通過直流電(DC)產生的,因此逆變器在將DC轉換為交流電(AC)以有效整合至現有電網中起著關鍵作用。在結合了不同可再生能源的混合動力系統和微電網系統中,逆變器至關重要。

可再生能源逆變器在使用單相和三相馬達及其他旋轉機械的工業應用中也起著至關重要的作用。從逆變器中取得的可變頻率和電壓體現了此類設備中的自主控制原理。

為了實現功率轉換,DC-AC逆變器通常採用脈衝寬度調變(PWM)技術。這是一種很有用的技術,其中,功率MOSFET等開關由可變寬度的脈衝控制。為了獲得自動控制和調節,PWM技術用於將逆變器的AC電壓輸出及其頻率保持在標稱值,不受輸出負載影響。

目前已有許多研究並開發了諸多技術,以期能從變頻器控制系統獲得更好的回應。常規的逆變器根據負載的變化來改變輸出電壓。為了降低輸出電壓對負載變化的敏感度,基於PWM的逆變器透過改變以較高頻率產生的脈衝寬度,從而調節輸出電壓。因此,輸出電壓取決於開關頻率和脈衝寬度,而開關頻率和脈衝寬度則根據輸出端連接的負載值而變化。透過這種類型的調節,逆變器可提供恒定的標稱電壓和頻率,且不受輸出功率影響。

許多研究均著眼於各種產生PWM的方法。在評估任何調變技術時,逆變器的效率參數(例如開關損耗和諧波降低)都是主要的考慮因素。因此,正弦脈寬調變(SPWM)在功率電子中被廣泛用於作為逆變器設計的調變方法。

SPWM逆變器概念

三相橋式逆變器是工業應用中最常用的逆變器拓撲。為了簡化概念,我們分析一款單相版橋式逆變器。單相設計包括在H橋每個橋臂上的開關電晶體或IGBT,具有反並聯續流二極體,可在開關關閉時放電。其原理圖如圖1所示。

H-bridge circuit shows building blocks of an inverter

1:基礎的H橋電路顯示了逆變器的關鍵組成部份(本文圖表來源:Dialog Semiconductor)

電晶體(通常為功率MOSFET)標示為S1、S2、S3和S4。切換開關以使同一橋臂上的兩個電晶體不會同時導通或斷開,從而防止短路。

為了在負載中產生交流電,電晶體必須成對工作:S1和S2導通,S3和S4斷開,反之亦然。表1列出不同開關狀態以及在負載施加的電壓。

table outlines the logic of switches

1:表中顯示開關的邏輯。

方波逆變器,或稱為基礎逆變器,主要由兩個相位相反的方波運行,其頻率等於輸出端所需的頻率。其中一個波施加到S1和S2,另一個波則施加到S3和S4。圖2顯示如果使用這類逆變器時,PWM控制訊號和在負載中獲得的電壓。

graphs of PWM control signals and output voltage

2:如果使用基礎逆變器時,PWM控制訊號和輸出電壓如圖中所示。

PWM技術基於恒定振幅脈衝的產生和透過改變佔空比對脈衝持續時間的調變。參考訊號或調變訊號是所需的訊號輸出(在逆變器輸出端的電壓波形為正弦波),載波訊號的頻率必須比調變後的頻率大得多。這是使用正弦PWM (SPWM)作為PWM逆變器的調變方法的主要原因。

SPWM特性

SPWM基於恒定振幅的脈衝,每個週期具有不同的佔空比。脈衝的寬度可透過調變載波取得,從而獲得所需的輸出電壓並降低其諧波含量。

SPWM的載波訊號通常是高頻的三角波,大約在幾kHz內。SPWM的調變訊號是一個正弦波形,其頻率等於所需的輸出電壓頻率,通常為50Hz或60Hz。

圖3顯示正弦調變的簡單示意圖。透過比較正弦波形和三角載波波形來產生開關訊號。當正弦電壓大於三角電壓時,比較器輸出為高電平。比較器的輸出脈衝用於作為前述H橋的選通脈衝。

schematic showing how SPWM generates the switching signal

3:該簡單原理圖顯示SPWM如何產生開關訊號。

為了獲得更好的結果,三角波形和正弦波形之間的頻率比必須為整數N = fC/fS,其中fC是載波頻率或三角波,fS是調變頻率或正弦波。在這種情況下,每個半週期的電壓脈衝數為N/2。在圖4中可以看到這種效果,其中顯示了三角波、正弦波和PWM輸出波形。

graphs of frequency ratio between the triangular and the sinusoidal waveforms

4:三角波形和正弦波形之間的頻率比必須為整數。

佔空比的調變過程被設計為調變指數m等於或小於1。如果m高於1,那麼在三角訊號的部份週期中,將不存在載波訊號和調變訊號的交叉點。對輸出訊號的影響如圖5所示。但是,必須注意的是,有時會使用一定量的過調變來獲得較高的交流電壓振幅。

graphs showing over-modulation

5:有時需要一定量的過調變以提高AC電壓振幅。

根據波形品質分析SPWM時,必須考慮諧波。SPWM在電壓波形中產生幾個數量級的不同諧波。然而,主要的是N和N±2階,而N被定義為fC/fS。如果考慮過調變,則輸出電壓具有較高的諧波含量,這是在產生較高電壓時的權衡。透過改變正弦電壓,可以調節輸出電壓。

具有固定振幅和頻率的三角波形,以及具有等於輸出頻率的固定頻率和可變振幅的正弦波形等這些概念,是本文闡述實現SPWM產生器的基礎。SPWM產生器如圖6的方塊圖所示。

SPWM generator block diagram

6:該方塊圖顯示SPWM產生器的設計和建置方式。

高頻三角波形是產生SPWM訊號的必要因素。這項任務透過有限狀態機(FSM)、計數器和D觸發器進行建置,在上圖中被稱為HF三角波產生器。該產生器基於AN-CM-265編程限制PWM,以產生佔空比呈三角變化的PWM。由於需要三角波,因此應用低通濾波器來消除方波的較高頻率。

使用GreenPAK模擬比較器將該三角波形與外部50Hz或60Hz低壓正弦波形進行比較。藉由比較即可如前述建置PWM的正弦調變。最後,使用逆變器為SPWM輸出產生互補訊號。

schematic showing the output of the SPWM generator

7SPWM產生器的輸出連接到H橋。

如圖7所示,SPWM輸出及其互補訊號連接到同一橋臂的每個電晶體。H橋的輸出包含一個LC濾波器,從而對SPWM的高頻分量進行濾波,最後,將50Hz或60Hz的正弦波施加到負載。

建置SPWM產生器

SPWM產生器的建置以SLG46826V為基礎,這是一種可配置的混合訊號IC (CMIC),其中包含FSM數位計數器、高速類比比較器和高頻振盪器。這使該CMIC能夠用於產生所需的三角波形和正弦調變。

如前所述,高頻三角波形產生器基於AN-CM-265編程限制PWM。圖8顯示在GreenPAK Designer軟體中內建該產生器。

triangle waveform generator circuit shown in the GreenPAK Designer software

8:在GreenPAK Designer軟體中建置三角波形產生器。

該產生器使用內部25MHz的振盪器,並配置為2.5MHz的輸出頻率。該時脈與巨集單元CNT1和CNT2結合,產生具有所需佔空比的相應方波。

透過這種配置,三角波的週期為1ms,因此可獲得1-kHz三角波。在此設計中,建置了50Hz SPWM逆變器,但可以透過更改三角波形的週期,將其修改為60Hz或其他頻率。

具三角變化的高頻PWM連接到PIN 16,並連接了相應的外部低通濾波器。該濾波器基於一階RC濾波器,具有1.5kΩ電阻和10nF電容器,因此該濾波器的截止頻率為10.6kHz。

濾波器的輸出(如圖6所示)連接到高速模擬比較器ACMP0H。ACMP0H的配置如圖9所示。

ACMP0H screenshot of the configuration of the high-speed analog comparator

 9:高速類比比較器的配置顯示奇數輸出控制。

該配置用於比較PIN 20和PIN 3之間的電壓。為了獲得最佳性能,必須禁用磁滯和頻寬限制選項。因此,必須將一個低壓正弦波形產生器連接到PIN 3,以便獲得正弦PWM調變(圖10)。

block diagram of the modulator

10:該方塊圖顯示實現正弦PWM調變的調變器。

為了產生針對PWM輸出的互補訊號,將3-L1查找表配置為邏輯逆變器。最後,PWM輸出連接到PIN 5和PIN 6。由於PIN 8和PIN 9連接到GreenPAK晶片的I2C模組,因此有必要使用上拉電阻將它們連接到VDD。整個SPWM產生器的建置如圖11所示。

SPWM generator implementation circuit

11SPWM產生器建置的完整視圖。

測試SPWM的建置

為了測試SPWM的建置,我們組裝了整個系統,並使用示波器進行分析。50Hz正弦波訊號是由功能訊號產生器產生的,具有相應的振幅和偏移,可以將其直接連接到SLG46826V CMIC。整個系統如圖12所示。

annotated photo of the SPWM generator test setup

12:用於測試SPWM產生器建置的整個系統

本文討論了SPWM產生器的建置,這是建置常用於馬達控制和可再生能源等應用的功率逆變器時最廣泛使用的方法之一,包括了SPWM產生的每個步驟,以及如何在輸出端進行連接和濾波。

*本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年1月號

(參考原文:Use a SPWM generator in inverter designs for renewable energy applications)

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