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摘要: 提出了一种基于DSP的控制方案来消除SPWM全桥逆变器的直流偏置问题，该方案采用TI的DSP芯片TMS320F240实现。 在一台400Hz6kW的样机上进行了实验，实验结果表明该方案能够较好地解决全桥逆变器中的直流偏置问题。

关键词：全桥逆变器； 直流偏置； 正弦波脉宽调制

1 简介

近年来，SPWM 逆变器已广泛应用于许多交流电源调节系统中。 与半桥相比，全桥逆变器的开关电流减少了一半，因此更适合大功率应用。 在SPWM全桥逆变器中，为了实现输入和输出之间的电气隔离，并获得合适的输出电压幅值，一般在输出端连接一个基频交流变压器。 在输出变压器中，由于各种原因引起的直流偏压问题，铁芯饱和，增加了变压器的损耗，降低了效率，甚至导致逆变器翻车，严重影响了SPWM的性能。 -桥逆变器。 正常运行，必须采取措施解决。

随着高频开关器件的发展，模拟瞬时值反馈控制使SPWM逆变器获得优良的动态响应特性和小的谐波畸变率。 但模拟控制存在色散大、温度漂移、器件老化等不利因素，给设备调试和维护带来诸多困难。 数字控制克服了模拟控制的上述缺点，并具有硬件简单、调试方便、可靠性高等优点，因而倍受关注。 本文在分析SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏置机制的基础上，提出了一种数字PI控制方案，通过对输出变压器初级电流进行采样来调节触发脉宽。 本方案采用DSP芯片TMS320F240在全数字6kW、400Hz中频逆变电源上实现。 实验结果表明，所提方案能够很好地抑制输出变压器的直流偏压。

2 直流偏置

DSP控制的SPWM全桥逆变器如图1所示，直流偏压是指输出变压器原边电压正负波形不对称，造成变压器工作磁滞环中心点磁芯偏离零点，导致磁工作状态不对称。 变压器工作时，磁感应强度B的变化率为B=dt(1)

励磁电流Iμ的变化率为Iμ=dt(2)

图1 DSP控制的SPWM全桥逆变器

图2 无直流偏压时的波形图

(a) SPWM 波形 (b) 磁感应 B

(a) SPWM 波形 (b) 磁感应 B

图 3 具有正直流偏置的波形图

式中：U1——变压器原边电压；

N1——变压器初级绕组的匝数；

Ae——变压器铁心的截面积；

Lo——变压器铁心的磁路长度；

μ0——空气磁导率；

μr——变压器铁芯的相对磁导率。

如图2所示，在SPWM全桥逆变器中，若输出变压器原边电压正负半周波形对称，正负半波伏秒积相等，则磁芯磁工作点将沿磁滞回线的原点中心线对称往复运动。 反之，如果输出变压器原边电压的正负波形不对称，正负半波的伏秒积不相等，则正负磁感应强度的幅值半波会有所不同，磁工作区会偏向第一或第三象限，即a DC偏置如图3所示。

造成原边电压正负波形不对称的原因主要有以下几个方面：

1）由于主电路中功率开关管导通时饱和压降不同，导致施加在变压器原边的电压正负波形幅值不相等；

2）由于控制系统中的正弦调制波或三角载波的直流分量； 或者由于四路脉冲分配和死区形成电路的不对称； 或由于采用波形校正技术动态调整脉冲宽度； 或者由于主电路中功率开关管在关断时的存储时间不一致； 施加在变压器原边的电压的正负波形脉宽不相等； 周波不完整，造成变压器铁芯剩磁过高，使变压器铁芯磁工作区偏离零。

从以上分析可以看出，SPWM全桥逆变器中一定存在直流偏置。 如上所述，直流偏置会导致铁芯饱和，不仅增加了变压器的损耗，降低了效率，而且增加了噪声； 同时也使两个功率开关管中的电流不平衡，降低了管子的有效利用率。 如果偏置继续累积，铁芯将进入深度饱和，磁工作点进入非线性区，变压器铁芯的相对磁导率μr将迅速下降。 由式（2）可知，这将导致励磁电流Iμ迅速增大，甚至引起逆变器翻倒，造成功率开关管过流损坏，严重影响逆变器的正常工作。 SPWM全桥逆变器。 因此，有必要采取措施加以解决。

为了解决SPWM全桥逆变器中的直流偏置问题，一般可以采取以下措施：

1）在变压器铁芯上增加气隙，增加铁芯的磁阻，提高变压器抗直流偏压的能力； 根据单相工作状态选择磁通密度，但这降低了铁芯的利用率，增加了变压器的体积和尺寸。 重量。

2）变压器初级绕组串联一个无极性隔直电容。 该方案一般只适用于小功率逆变电源，不适用于中大功率逆变电源。 一方面，由于无极性电容的耐压和容量的限制，需要大量的电容串并联，大大增加了成本、体积和重量； 传输效率影响逆变器的动态特性。

3）为SPWM全桥逆变器选择饱和压降和存储时间特性一致的功率开关管，以减少控制电路的脉宽失真和驱动延时。

4) 限制动态条件下控制信号的最大变化率，使正负半波尽可能对称，但这降低了逆变器的动态响应速度。

5）逆变器采用软启动和软关断技术，使变压器

控制技术

图 4 抗直流偏置数字 PI 控制器

剩磁很小，防止开机瞬间饱和。 此外，一些资料还提出了一些抗直流偏压的控制方案，如文献[1]提出的逐脉冲电流检测法、文献[2]提出的电流型PWM控制法全桥逆变波形，以及样本文献[3]中提出的-and-hold方法。 、[4]等提出的双环控制方法，但这些方法只适用于DC/AC/DC变换器的逆变部分。 文献[5]提出的静态补偿及时补偿方法可以较好地解决SPWM全桥逆变器中的直流偏置问题，但属于模拟控制。 本文通过对输出变压器初级电流进行采样，通过数字PI控制器调节触发脉宽，较好地解决了全数字SPWM逆变电源中的直流偏置问题。

3位数字PI抗直流偏置

在SPWM全桥逆变器中，输出变压器的初级电流是转换到初级的次级电流与初级励磁电流之和。 如上所述，当发生直流偏压时，在第一或第三象限，变压器铁芯的相对磁导率μr迅速减小，某一方向的励磁电流Iμ呈指数规律快速增大，导致输出变压器原边电流的直流分量也迅速增加。 因此，SPWM全桥逆变器的直流偏置问题可以归结为输出变压器初级侧电流直流分量的产生和快速增长。 如果能够快速检测并控制初级电流的直流分量使其降低，就可以解决直流偏置问题，使SPWM全桥逆变器正常工作。

在输出变压器中，励磁电流一般只占初级电流的2%，因此检测初级电流的直流成分必须先滤除励磁电流中的基波和高频成分，然后再放大其余的直流分量受控。 励磁电流直流分量的提取有两种方法，硬件提取和软件提取。 硬件提取可以先通过有源滤波实现，再通过A/D口读入DC流； 通过对初级电流的瞬时双极性A/D采样和一定的滤波算法实现软件提取。

图 4 显示了用于 SPWM 全桥逆变器的抗直流偏置数字 PI 控制器的框图。 对于控制器，要求初级电流的直流分量以最小的误差收敛到零，并满足一定的动态指标。

数字PI控制器使误差Ie(K)取一个很小的值，误差Ie(K)定义为Ie(K)=0-i1dc(K)(3)

其中： i1dc(K) 是提取的初级电流直流分量。

数字PI控制器根据i1dc(K)产生需要的控制量u(z)=KpIe(z)+Ie(z)(4)

采用增量式PI控制算法，其增量表达式为：

u(K)=u(K-1)+Δu(K)(5)

Δu(K)=Kp[Ie(K)+Ie(K-1)]+KIIe(K)(6)

在过去的几十年中，数字 PI 控制器得到了广泛的应用。 其实现简单直观全桥逆变波形，鲁棒性好，可靠性高。 在一定的运行范围内可以获得满意的控制效果。 本文通过对输出变压器原边电流进行采样反馈，利用数字PI控制器得到的控制量对SPWM驱动脉宽进行修正，以降低原边电流中的直流分量，将变压器直流偏置对磁约束的影响较小。

另外，方案中还采用了软启动技术，使变压器的剩磁非常小，防止启动时出现瞬态饱和。 为防止驱动脉冲过窄造成直流偏置丢失，对SPWM驱动波形的最小占空比进行了限制。 为了避免在空载-满载或满载-空载等动态过程中励磁电流急剧增大而烧毁功率开关管，该方案还采用了直流母线电流滞后闭锁技术：当直流母线电流超过迟滞上限时，相应的驱动脉冲被阻断，直到电流下降到迟滞环下限，才释放控制脉冲，从而避免逆变器被颠覆，有效保护开关管.

4 物理实现和实验结果

本文采用德州仪器（TI）提供的DSP芯片TMS320F240实现对SPWM全桥逆变器的数字控制。 TMS320F240具有许多优良特性，如采用先进的哈佛型结构，50ns指令周期，16×16位硬件乘法器，32位算术逻辑单元，544字×16位片内RAM，16k字× 16 位片上 FLASHROM 和 224k 字 × 16 位存储器地址范围。为了适用于电源转换器领域，TMS320F240 还集成了先进的外围设备，包括一个具有 12 个 PWM 通道的事件管理器模块，一个双10位A/D转换模块，基于锁相环的时钟模块，看门狗定时器器件，串口通讯

DSP控制的SPWM全桥逆变器直流偏置研究

(a) 驱动波形 (b) uab 波形

(a) i1 波形 (b) uo 波形

图 5 实验波形

接口、串行外设接口、6 个外部中断和 28 个独立编程的多路复用 I/O 引脚。

本文介绍的数字PI抗直流偏压方案已在某XX舟中频逆变电源上得到应用，该电源输入为直流175-320V，输出为交流400Hz、230V、6kW。 为了简化驱动电路的设计，提高可靠性，主电路采用三菱公司的IPM模块PM200DSA120。 为了减少开关损耗，本模块的开关频率为10kHz。 为了消除高频噪声，减小滤波电路的体积和重量，采用单极性倍频技术，使输出变压器原边SPWM波形的最低谐波为20kHz。 逆变器满载时的实验波形如图5所示，其中图5(a)为S1、S3的驱动波形，图5(b)为逆变桥臂输出电压uab的波形，图5(c)是逆变器桥臂输出电压uab变压器初级电流i1的波形，图5(d)是逆变器输出电压uo的波形。

5 结论

在分析SPWM全桥逆变器输出变压器直流偏置机制的基础上，提出了一种数字PI控制方案，通过对输出变压器初级电流进行采样并提取其直流分量来调节触发脉冲宽度。 本方案采用DSP芯片TMS320F240，在全数字6kW、400Hz中频逆变电源上实现。 输出变压器直流偏置问题。