SPWM在直流-交流逆变器设计中调节电压万博投注网址
文章作者:Alberto Leibovich和Pablo Leibovich, Dialog Semiconductor
SPWM广泛用于电力电子设备，以调节DC-AC逆变器设计中的电压。万博投注网址
可再生能源仍然是世界范围内的一个巨大趋势。随着捕获风能、太阳能和其他形式的可再生能源的方法的发展，可再生能源系统的成本和效率对公司和消费者都越来越有吸引力。事实上，2016年，全球对可再生能源的货币投资降至多年来的最低数字，与此同时，可再生能源安装数量打破了同一年份的最高纪录。
在用于可再生能源的组件中，逆变器作为一个独特的关键系统组件脱颖而出。由于大多数可再生能源都是直流产生的，逆变器在将直流转换为交流以有效地集成到现有电网中扮演着关键角色。在混合电力系统——结合不同的可再生资源——和微电网系统中，使用逆变器是必不可少的。
可再生能源逆变器在使用单相和三相电动机和其他旋转机器的工业应用中也发挥着关键作用。可变频率和电压从逆变器获得 - 体现了这种类型的自主控制原理。
为了实现功率转换，直流-交流逆变器通常采用脉宽调制(PWM)技术。这是一种有用的技术，其中开关，如功率mosfet是控制脉冲的可变宽度。为了实现自动控制和调节，采用PWM技术使逆变器的交流电压输出和频率保持在标称值，与输出负载无关。
为了使逆变控制系统获得更好的响应，人们开展了许多研究和技术。传统的逆变器根据负载的变化改变输出电压。为了降低输出电压对负载变化的敏感性，基于pwm的逆变器通过改变相对较高频率产生的脉冲宽度来调节输出电压。因此，输出电压取决于开关频率和脉冲宽度，而开关频率和脉冲宽度随连接在输出端的负载的值而变化。有了这种类型的调节，逆变器提供一个恒定的标称电压和频率独立于输出功率。
研究了几种产生PWM的方法。逆变器的效率参数，如开关损耗和谐波降阻，是任何调制技术评估中要考虑的主要因素。因此，正弦脉宽调制(SPWM)作为逆变器设计的调制方法在电力电子中得到了广泛的应用。万博投注网址
SPWM逆变器的概念
三相波桥逆变器是工业应用中最常用的逆变器拓扑。为了简化概念，分析了单相版本。单相设计包括在H-桥的每个臂上的切换晶体管或IGBT，当开关关闭时，通过反平行的惯战二极管放电。它的原理图显示在图1。
图1这个基本的h桥电路显示了逆变器的关键组成部分。来源:对话框半导体
晶体管——通常是功率mosfet——被识别为S1、S2、S3和S4。交换开关，使同一臂上的两个晶体管不同时导通或断开，从而防止短路。
为了在负载中产生交流电，晶体管在一对中操作：S1和S2导电，S3和S4打开或反之亦然。表1显示不同的切换阶段和施加的电压到负载。
表1此概述显示了交换机的逻辑。来源:对话框半导体
方波逆变器，也称为基本逆变器，是由两个方波在相反的相位和频率等于期望的频率在输出。其中一个波形应用于S1和S2，另一个波形应用于S3和S4。图2如果使用这种类型的逆变器，则显示PWM控制信号和负载中获得的电压。
图2如果使用基本的逆变器，PWM控制信号和输出电压看起来是这样的。来源:对话框半导体
PWM技术是基于恒幅脉冲的产生和通过改变占空比来调制脉冲的持续时间。参考信号或调制信号是期望的信号输出——在逆变器输出电压波形的情况下是正弦信号——载波信号的频率必须比调制信号的频率大得多。这是使用正弦PWM或SPWM作为PWM逆变器调制方法的主要原因。
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变频调速特征
SPWM基于每个周期的不同占空比的恒定幅度脉冲。通过调制载波获得脉冲的宽度以获得所需的输出电压并降低其谐波含量。
SPWM的载波信号通常是一个高频率的三角波，一般在几个kHz。SPWM的调制信号是一个频率等于期望输出电压频率的正弦波波形，一般为50hz或60hz。
在图3，示出了正弦调制的简化示意图。通过比较正弦波形和三角形载波波形来产生切换信号。当正弦电压大于三角电压时，比较器输出高。比较器的输出脉冲用作上一节中呈现的H桥的栅极脉冲。
数字3.一个简化的原理图显示了SPWM如何产生开关信号。来源:对话框半导体
为了获得更好的结果，三角波形和正弦波形之间的频率比必须为整数N = fC/fS，其中fC为载波频率或三角波形，fS为调制频率或正弦波形。在此条件下，每半周电压脉冲数为N/2。这种效应可以在图4，示出了三角形，正弦和PWM输出波形。
图4三角波形和正弦波形之间的频率比必须是一个整数。来源:对话框半导体
占空比的调制过程设计为调制指数m等于或小于1。如果m更高，则会出现三角信号中载波与调制信号不相交的周期。对输出信号的影响如图所示图5。然而，重要的是要注意，有时用于获得更高的AC电压幅度的一定量的过度调制。
图5为了提高交流电压幅值，有时需要一定量的过调制。来源:对话框半导体
在对SPWM进行波形质量分析时，必须考虑谐波的影响。SPWM在电压波形中产生不同阶次的谐波。然而，占主导地位的是N阶和N±2，而N被定义为fC/fS。如果考虑过调制，输出电压具有较高的谐波含量，作为产生较高电压的权衡。通过改变正弦电压，可以调节输出电压。
固定幅频三角形波形和固定频率等于输出频率变幅正弦波形的概念是本文实现的SPWM发生器的基础。中的方框图显示了SPWM发生器图6。
图6该框图显示了SPWM发生器如何设计和实现。来源:对话框半导体
SPWM信号的产生需要高频三角波形。该任务是通过有限状态机(FSM)、计数器和d型触发器实现的，在上面的图表中被引用为高频三角形发生器。发电机是基于一个- cm - 265可编程限制PWM，产生具有占空比的三角形变化的PWM。作为需要三角形波形，施加低通滤波器以消除方波的非常高的频率。
将该三角波形与外部低压50或60 Hz正弦波相比GreenPAK模拟比较器。通过这种比较，PWM的正弦调制如前一节所述实现。最后，使用逆变器来为SPWM输出产生互补信号。
图7SPWM发生器的输出连接到h桥。来源:对话框半导体
见图7，SPWM输出及其互补信号连接到同一腿的每个晶体管。H桥的输出包含LC滤波器，因此过滤SPWM的高频分量，最后，将50或60Hz的正弦波形施加到负载。
实施变频调速电机
SPWM发生器的实现是基于SLG46826V，一种可配置的混合信号IC (CMIC)，包含FSM数字计数器，高速模拟比较器和高频振荡器。这使得CMIC可以用来产生所需的三角形波形和正弦调制。
如前所述，高频三角波形发生器基于AN-CM-265可编程极限PWM。中的生成器的实现GreenPAK设计师软件可以在图8。
图8。三角波形发生器的实现在GreenPAK Designer软件中显示。来源:对话框半导体
发电机使用内部25 MHz振荡器，配置为输出频率为12.5 MHz。该时钟与宏小区CNT1和CNT2组合，产生具有所需占空比的相应方波形。
利用这种配置，三角波形具有1ms的周期，因此获得1 kHz三角形波形。在该设计中，实现了50 Hz SPWM逆变器，但可以通过改变三角波形的时段来修改60Hz或其他频率。
具有三角形变型的高频PWM连接到引脚16，其中相应的外部低通滤波器连接。该滤波器基于一阶RC滤波器，具有1.5kΩ电阻和10 NF电容，因此滤波器的截止频率为10.6 kHz。
如图6所示，滤波器的输出连接到高速模拟比较器ACMP0H。ACMP0H的配置如下图9。
图9这种高速模拟比较器的配置显示奇数输出控制。来源:对话框半导体
此块用于比较pin20和pin3之间的电压。为了获得最佳性能，必须禁用迟滞和带宽限制选项。因此，一个低压正弦波形发生器必须连接到pin3，从而得到正弦PWM调制(图10)。
图10这是促进正弦PWM调制的调制器的框图。来源:对话框半导体
为了产生PWM输出的互补信号，3-L1查找表被配置为逻辑逆变器。最后，PWM输出连接到pin5和pin6。因为PIN 8和PIN 9连接到I2GreenPAK芯片的C模块，需要连接到VDD使用上拉电阻。整个SPWM实现图如图所示图11。
图11下面是SPWM生成器实现的完整视图。来源:对话框半导体
测试变频调速实现
为了测试实现，将整个系统组装并用示波器分析。用函数信号发生器产生50-Hz正弦波信号，具有相应的幅度和偏移，使得它可以直接连接到SLG46826V CMIC。整个系统都可以看到图12。
图12用于测试SPWM生成器实现的整个设置的视图。来源:对话框半导体
本文演示了SPWM发生器的实现，这是最广泛使用的实现功率逆变器的方法之一，通常用于电机控制和可再生能源等应用，包括SPWM产生的每一步，以及如何在输出端连接和过滤。
本文最初发表于edn.。
您可以下载原始设计文件，并查看整个应用程序是如何构建的，这里。
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