单极性全桥逆变相对于双极性逆变损耗低，电磁干扰少，单极性SPWM更适用于逆变控制，但该控制方式存在一个过零点振荡。介绍了单极性逆变中的双边SPWM的控制方法，分析了这种控制方法在正弦波电压过零点附近的振荡现象，提出一种解决过零点振荡的方案，并经实验验证。
0 引言
当前众多电源应用领域对交流电源的要求越来越高，传统的电网直接供电方式在很多场合已无法满足要求，因此，需要对电网或者其他能源处理后逆变输出。高质量的逆变电源已经成为电源技术的重要研究对象。全桥架构又是逆变器中非常重要的架构。全桥逆变控制方式主要分为双极性控制方式和单极性控制方式。双极性控制是对角的一对开关为同步开关，桥臂上下管之间除死区时间外为互补开关，控制相对简单，但是它的开关损耗高，存在很大的开关谐波，电磁干扰大，而单极性控制可以很好地解决这些问题。
全桥逆变器单极性控制仅用一对高频开关，相对于双极性控制具有损耗低、电磁干扰小、无开关频率级谐波等优点，正在取代双极性逆变控制方式。但由于控制环路的延时作用，单极性控制方式的逆变器仍然受一个问题的困扰，即在过零点存在一个明显的振荡。单极性控制方式又包括单边方式和双边方式，双边方式相对于单边方式在抑止过零点振荡方面有一定优势，但仍然无法做到过零点的平滑过渡。为了提高逆变器的输出波形质量，本文分析了，单极性双边控制方式，分析了其振荡产生原因，并介绍一种解决过零点振荡的方案。
1 主电路拓扑
单极性SPWM逆变器如图1所示，由2组桥臂构成，一组桥臂(S3，S4)以高频开关工作频率工作，称为高频臂;另一组桥臂(S1，S2)以输出的正弦波频率进行切换，称为低频臂。
2 单极性双边SPWM控制方式
单极性逆变有两种产生SPWM的方法，分为单极性单边SPWM控制方式和单极性双边SPWM控制方式，文献l对此有比较详尽的介绍，这里只介绍过零点特性较好的双边控制方式，这种方式对于单边控制方式仍然有效。在单极性双边SPSM控制方式中，给定的载波信号按正弦方式变化，三角调制波信号，当输出电压为正时三角波为正，输出电压为负时三角波为负，如图2所示。高频臂上管S3的开关由载波与调制波相比较决定，载波幅值大于调制波则开通，载波幅值小于调制波则关断，除去死区时间，高频臂上管S3与高频臂下管S4的开关完全互补。这样即可得到SPWM规律的高频臂开关信号，实现逆变器的正弦波输出。
3 过零点振荡分析
图3为双边SPWM控制方法在过零点附近的SPWM示意图。图中E1理论上为跟基准(电压波形)同相位的误差信号，由于在电压环和电流环两个环节中存在积分环节，实际的误差信号E2会与基准信号相差一个相位。图3中SPWM1是理论上的高频臂上管(S3)的驱动信号，SPWM2则是实际的高频臂上管(S3)的驱动信号。
1)to～t1区间 由图3可以看到，在to～t1.区间，由于给定的低频臂信号为高电平l，对应主电路低频臂下管(S2)导通，图3中SPWM对应的高频臂上管(S3)的驱动信号，当误差信号(E1或E2)大于三角波，比较器输出高电平，小于则输出低电平，以此获得SPWM1或SPWM2。由图3可以知道在to～t1区间，输出正弦波由正逐渐变为O。
由于E2滞后于理想的误差信号E1，在t1时刻正半波向负半波转变时E2会大于E1，造成的影响就是过零点附近实际的占空比SPWM2要大于SPWM1。理论上此时的正弦波输出逐步减小到零，到零后再进行低频臂的切换，而事实上并不是降到零就会进行低频臂的切换。 2)t1't2区间 实际的输出误差信号E2滞后于E1一个相位，在该相位内，误差信号E2为正，始终大于调制波信号，因此高频臂上管(S3)始终开通，下管(S4)始终关断。在该时段内，SPWM偏离了正弦波调制的规律，因此输出也就无法维持正弦波规律。这个时段与控制环的参数有关，一般在数百μs左右，表现为正弦波在过零点有一个振荡……
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1.前言
随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染。而PWM整流器提高了系统的功率因数，降低了对电网的谐波污染，得到了人们的重视。
根据输入电感电流状态PWM整流器可分为电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)，由于CCM模式具有输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功率场合等优点，得到了更多地关注。在CCM模式中，根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感。相对于间接电流控制，直接电流控制把整流器的输入电流作为反馈和被控量，形成电流闭环 控制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。所以，直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。
2.单相电压PWM整流器原理框图
单相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示，它主要由三部分组成：交流回路、功率开关桥路、直流回路。其中交流回路包括交流电动势UN 、网侧电阻RN 及网侧电感LN 等;直流回路包括由电感L2和电容C2组成的串联谐振电路用来滤除电网的2次谐波分量、滤波电容Cd 及负载 RL等;功率开关桥路由四个反并联二极管的IGBT组成。
单相PWM逆变器的控制思路是：在保证直流侧电压稳定的情况下，使交流侧的电流与电压尽可能的保持同相位，从而使交流侧的功率因数为1。
3.单相PWM整流器直接电流控制技术分析
直接电流控制根据控制方式的不同，又可分为滞环电流控制、峰值电流控制、预测电流控制、平均电流控制、状态反馈控制单周控制等。
3.1 峰值电流控制
峰值电流控制的原理是实时比较实际电流和指令电流瞬时值的大小，指令电流值是实际电流的上限，实际电流一旦达到这个上限，立刻转而向下衰减，电感值的大小，线路的阻抗和脉宽调制的开关频率影响了这一衰减的最终值。其控制原理框图如下图2所示。
峰值电流的优点：①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快;②控制环易于设计;③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美;④简单自动的磁通平衡功能;⑤瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能;⑥自动均流并联功能。缺点有：①占空比大于5%时开环不稳定性，峰值电流与平均电流的误差难以校正;②闭环响应不如平均电流模式控制理想;③占空比大于0.5时系统产生次谐波振荡;④对噪声敏感，抗噪声性差;⑤电路拓扑受限制;⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。
3.2 滞环电流控制
滞环电流控制方式作为峰值电流控制方式的改进，只是增加了一条限制电流衰减的下限。其原理仍然是指令电流和实际电流的实时值比较，实际电流达到上限指令电流，随即转入衰减，衰减至下限指令电流，重新开始上升，如此反复，实际电流将是一条在上下限指令电流跳动的锯齿波……
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脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)是利用数字输出信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
一、PWM原理
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON) 或断(OFF) 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
如图1 所示，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等;用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化。
图1 用PWM波代替正弦半波
SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。
二、基于CPLD的PWM方案
一个PWM发生器必须包括计数器，数据比较器，另外就是配置PWM 参数的时钟分频寄存器和占空比寄存器，结构框图如图2 所示，这些电路都可以用CPLD 来实现。
图2 PWM控制器结构框图
高频时钟信号经分频器驱动计数器，计数器如图3 所示，总是从Bottom 到Top 的循环计数，计数器的输出和占空比寄存器里的数据经数据比较器比较，输出PWM 信号，当计数器输出小于占空比设定值时输出低电平(0)，否则输出高电平(1)，如图3(b)(c)所示。
图3 PWM信号发生器时序波形图
从图中还可以看出，计数器的周期就是PWM 信号的周期，通过修改占空比寄存器从而实现对输出PWM 信号高低电平比例控制，图3(b)是占空比为P1 的PWM输出，图3(c)是占空比为P2 的PWM 输出，它们周期相同，高低电平的比例不同。
执行单片机程序，选择不同的分频系数和占空比值，从CPLD 的引脚输出PWM 信号示波器截图如图4所示。
图4 不同占空比的PWM信号示波器截图
三、SPWM
如果将占空比按正弦规律随着时间变化，就可以得到正弦调制的PWM信号，也就是SPWM。如图5 所示，该信号经过阻容滤波可以得到正弦模拟信号，这里的运放做电压跟随器用，对信号驱动能力进行放大。实际得到的正弦信号示波器截图效果如图6 所示……
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引言
目前，PWM功率变换技术得到了广泛的应用。对于工作在硬开关状态下的PWM逆变器，由于其开关损耗大，并且产生严重EMI，难以满足开关电源高频化、绿色化的要求。为克服硬开关的不足，软开关技术得到迅速的发展，特别是DC/DC变换器移相软开关技术已趋于成熟。但对于DC/AC变换器，由于考虑其输出波形质量等因素，目前，还没有真正意义上的软开关产品出现。虽然也出现过一些DC /AC变换器拓扑和软开关控制技术，但这些方法还不能真正走向实用。
谐振电路实现软开关，是一种比较好的方法，然而这一技术需要跟踪电路中的电压和电流，在电压和电流过零处实现软开关，这必然使电路变得复杂。为较好地解决这一难题，利用电感换流的非谐振软开关PWM技术，然而这一技术只适用于双极性电压控制的DC/AC变换器电路。本文设计出了一种适用单极倍频SPWM软开关DC/AC变换器电路。
单极倍频SPWM软开关DC/AC变换器主电路
1、主电路结构
图1所示为新型单极倍频SPWM软开关DC/AC逆变器主电路原理图。图2为其主要工作波形。该电路在硬开关SPWMDC/AC逆变器的基础上添加了电容C1，C2，C3，C4，Cr1，Cr2，CE1，CE2电感Lr1，Lr2，其中电容C1=C2=C3=C4，Cr1=Cr2，电感Lr1=Lr2，大容量电解电容CE1=CE2视为恒压源。这些元件为电路中的4只功率管实现零电压开关(ZVS)创造了条件。
图1 主电路结构
图2 主电路主要工作波形
2、软开关的实现原理
以下公式中的电压、电流方向以图1中的参考方向为准。并假设负载电流io连续。
1)工作模式1(t0-t1时间段)
在这一时间段中S1及S3导通，S2及S4关闭，iLr1从电源ED的正极经过S1，Cr1，Lr1，CE2，到ED的负极并逐渐增大;同时电容CE1经过S3，Cr2，Lr2继续放电，放电电流iLr2继续上升，在t1时刻iLr2达到最大，即
iLr2(ωt1)=αIomsinωt1-
(1-α2sin2ωt1)(1)
式中：α为调制比；Iom为负载电流最大值，Iom=ED/RL;ω=2πfc，fc为载波频率。
对应的等效电路拓扑见图3(a)。
2)工作模式2(t1-t2时间段)
在此时间段，功率管S1继续导通，iLr1继续增大。t1时刻S3关断，集电极电流i3从开关管S3转换到缓冲电容C3，为C3充电，C3上的电压从零开始上升，S3实现零电压关断;同时，存储在C4上的能量通过Cr2，Lr2，CE2回路放电，其等效电路拓扑如图3(b)。从图可看出，C3充电回路与 C4放电回路参数相同。因此，在t=t2时刻，vC3=ED，vC4=0。充放电时间t21为
t21=t2-t1=
(2)
3)工作模式3(t2-t3时间段)
在t=t2时刻D4导通，为循环电流iL2的续流提供通路，vC4被箝位于零，即vC4=0。若在iL2=0之前，S4的触发信号到来，S4实现零电压开通。其等效拓扑如图3(c)所示。
4)工作模式4(t3-t4时间段)
在t3时刻S4零电压开通。循环电流iL2继续通过D4续流，在t4时刻续流完毕。续流时间t41为
t41=t4-t1=-
(3)
其等效电路拓扑如图3(d)。
5)工作模式5(t4-t5时间段)
t4时刻后，S4的集电极电流从零开始上升。电源ED为负载提供能量。其等效电路拓扑如图3(d)。
(a) t0-t1
(b) t1-t2
(c) t2-t3
(d) t3-t4 图3 各种模式下的等效电路拓扑
在t5时刻，S1关断，缓冲电容C1的存在，S1实现零电压关断。t5时刻之后，电路进入开关周期的下半周期，其工作模式同上……
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随着科技的快速发展，逆变器已经越来越多的出现在人们的生活中。目前，逆变器的已经在很多领域应用到，比如电脑、电视、洗衣机、空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、录像机、按摩器、风扇、照明等等。逆变器是一种能够进行电能转换的器件，当输入的是直流电是，输出就会变成交流电，而且一般是为220v50HZ正弦或方波。它与应急电源的工作原理是相反的，逆变器一般由控制逻辑、滤波电路和逆变桥组成。本文将首先介绍二极管在逆变器中的应用，然后结合一种简单的逆变器电路图，具体分析PWM逆变器的工作原理。
二极管在逆变器中的应用
在家电应用中，最主要的就是高效率和节能，三相无刷直流电机正是因为具有效率高、尺寸小的优点，被广泛的应用在家电设备及其他很多应用中。除此之外，由于还将机械换向装置替换成电子换向器，三相无刷电机进而被认为可靠性比原来更高了。
标准的三相功率级(power stage)被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。
MOSFET Q1、Q3和Q5高频(HF)切换，Q2、Q4和Q6低频(LF)切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。
步骤1) 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。
步骤2)MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。
步骤3)Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流(如步骤1)与二极管D2上的恢复电流之和。
显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2(见图1)，该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。
当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置， N区的少数载流子进入P 体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P 区，即从漏极到源极。电感L1对于流经Q2和Q1的尖峰电流表现出高阻抗。Q1表现出额外的电流尖峰，增加了在导通期间的开关损耗。图4a描述了MOSFET的导通过程。
为改善在这些特殊应用中体二极管的性能，研发人员开发出具有快速体二极管恢复特性MOSFET。当二极管导通后被反向偏置，反向恢复峰值电流Irrm较小。
结合一种简单的逆变器电路图分析PWM逆变器电路的工作原理
电阻R2和电容C1套集成电路内部振荡器的频率。预设R1可用于振荡器的频率进行微调。14脚和11脚IC内部驱动晶体管的发射极终端。的驱动晶体管(引脚13和12)的集电极终端连接在一起，并连接到8 V轨(7808输出)。可在IC的引脚14和15两个180度，淘汰50赫兹脉冲列车。
这些信号驱动器在随后的晶体管阶段。当14脚的信号为高电平，晶体管Q2接通，就这反过来又使晶体管Q4，Q5，Q6点从目前的 12 V电源(电池)连接流一个通过的上半部分(与标签的标记)变压器(T1)中，小学通过晶体管Q4，Q5和Q6汇到地面。
因此诱导变压器二次电压(由于电磁感应)，这个电压220V输出波形的上半周期。在此期间，11脚低，其成功的阶段将处于非活动状态。当IC引脚11云高的第三季度结果Q7的获取和交换，Q8和Q9将被打开。从 12 V电源通过变压器的初级下半部和汇到地面通过晶体管的Q7，Q8，Q9，以及由此产生的电压，在T2次级诱导有助于的下半部周期(标签上标明)电流流220V输出波形……
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引言
变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。现代变频电源以低功耗、高效率、电路简洁等显著优点而备受青睐。变频电源的整个电路由交流-直流-交流-滤波等部分构成，输出电压和电流波形均为纯正的正弦波，且频率和幅度在一定范围内可调。
本文实现了基于TMS320F28335的变频电源数字控制系统的设计，通过有效利用TMS320F28335丰富的片上硬件资源，实现了SPWM的不规则采样，并采用PID算法使系统产生高品质的正弦波，具有运算速度快、精度高、灵活性好、系统扩展能力强等优点。
系统总体介绍
根据结构不同，变频电源可分为直接变频电源与间接变频电源两大类。本文所研究的变频电源采用间接变频结构即交-直-交变换过程。首先通过单相全桥整流电路完成交-直变换，然后在DSP控制下把直流电源转换成三相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。变频系统控制器采用TI公司推出的业界首款浮点数字信号控制器 TMS320F28335，它具有150MHz高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用对于更快代码开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。与上一代领先的数字信号处理器相比，最新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28x TM控制器软件的特点。系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
(1)整流滤波模块：对电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。
(2)三相桥式逆变器模块：把直流电压变换成交流电。其中功率级采用智能型IPM功率模块，具有电路简单、可靠性高等特点。
(3)LC滤波模块：滤除干扰和无用信号，使输出信号为标准正弦波。
(4)控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算法和控制策略产生SPWM控制信号，去控制IPM开关管的通断从而保持输出电压稳定，同时通过SPI接口完成对输入电压信号、电流信号的程控调理。捕获单元完成对输出信号的测频。
(5)电压、电流检测模块：根据要求，需要实时检测线电压及相电流的变化，所以需要三路电压检测和三路电流检测电路。所有的检测信号都经过电压跟随器隔离后由TMS320F28335的A/D通道输入。
(6)辅助电源模块：为控制电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证系统工作稳定可靠。
系统硬件设计
变频电源的硬件电路主要包含6个模块：整流电路模块、IPM电路模块、IPM隔离驱动模块、输出滤波模块、电压检测模块和TMS320F28335数字信号处理模块。
整流电路模块
采用二极管不可控整流电路以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压为逆变器提供直流电压，该电路由6只整流二极管和吸收负载感性无功的直流稳压电容组成。整流电路原理图如图2所示。
图2 整流电路原理图
IPM电路模块
IPM由高速、低功率IGBT、优选的门级驱动器及保护电路组成。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压。因而IPM具有高电流密度、低饱和电压、高耐压、高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。本文选用的IPM是日本富士公司的型号为 6MBP20RH060的智能功率模块，该智能功率模块由6只IGBT管子组成，其IGBT的耐压值为600V，最小死区导通时间为3μs。
IPM隔离驱动模块
由于逆变桥的工作电压较高，因此DSP的弱电信号很难直接控制逆变桥进行逆变。美国国际整流器公司生产的三相桥式驱动集成电路IR2130，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件。
图3 IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图
IR2130驱动其中1个桥臂的电路原理图如图3所示。C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D1可防止上桥臂导通时直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用十到几十欧姆。R3和R4组成过流检测电路，其中R3是过流取样电阻，R4是作为分压用的可调电阻。IR2130的HIN1~HIN3、 LIN1~LIN3作为功率管的输入驱动信号与TMS320F8335的PWM连接，由TMS320F8335控制产生PWM控制信号的输入，FAULT 与TMS320F8335引脚PDPINA连接，一旦出现故障则触发功率保护中断，在中断程序中封锁PWM信号。
输出滤波模块
采用SPWM控制的逆变电路，输出的SPWM波中含有大量的高频谐波。为了保证输出电压为纯正的正弦波，必须采用输出滤波器。本文采用LC滤波电路，其中截止频率取基波频率的4.5倍，L=12mH，C=10μF。
电压检测模块
电压检测是完成闭环控制的重要环节，为了精确的测量线电压，通过TMS320F28335的SPI总线及GPIO口控制对输入的线电压进行衰减/放大的比例以满足A/D模块对输入信号电平(0-3V)的要求。电压检测模块采用256抽头的数字电位器AD5290和高速运算放大器AD8202组成程控信号放大/衰减器，每个输入通道的输入特性为1MΩ输入阻抗 30pF。电压检测模块电路原理图如图4所示……
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