李 棟,易映萍,謝 明,肖 飛(.上海理工大學,上海00093;.許繼集團有限公司,河南許昌46000)
基于HPWM調制技術的車載逆變器設計
李棟1,易映萍1,謝明1,肖飛2
(1.上海理工大學,上海200093;2.許繼集團有限公司,河南許昌461000)
介紹HPWM調制技術工作原理,并基于HPWM調制技術設計了純模擬控制的大功率車載逆變器。該車載逆變器采用了DC/DC和DC/AC兩級變換結構,并且此逆變電源采用了純模擬方案。闡述了基于HPWM調制技術的車載逆變器的工作原理,給出了實現后級ZVS的條件,對兩級變換電路設計進行了詳細介紹。實驗結果表明,此逆變電源設計合理、運行穩定可靠。
HPWM;車載逆變器;ZVS
車載逆變器電源作為在移動中使用的直流變交流的轉換器,成為常備的車用電子裝置用品。大功率的車載逆變器通過電瓶,將產生穩定工頻交流電。車載逆變器作為常用設備,500 W以上的大功率較為少見,并且多數大功率的車載逆變便器有成本高、穩定性差等缺點[1]。車載逆變器作為汽車上的電能轉換設備,效率和安全是尤為重要的,降低損耗和減少諧波則是實現高效能和安全可靠的重要指標。本文設計的車載逆變器基于HPWM調制技術,該調制技術具有較低諧波和較少開關損耗的優點,結合本文所使用的拓撲結構可以實現零電壓開關(ZVS),從而減少開關損耗[2]。
H橋逆變器是逆變器中廣為使用的拓撲結構,基于H橋逆變器的主要調制技術有:(1)雙極性PWM(BPWM):因為容易實現,所以使用較為普及,但是其諧波含量較多并且難以濾除,這些缺點將對車載逆變器的安全和可靠性帶來較大影響。(2)普通單極性PWM(UPWM):該控制方式相對BPWM有較少的諧波分量和較少的開關損耗,但是阻感負載下由于換流時UPWM調制技術下的橋臂不工作與調制狀態,將使諧波分量增加,并且該調制技術會使功率開關管的壽命不均等[3]。
為了克服以上缺點,本文提出新型的調制技術混合性SPWM(HPWM),該調制技術本質上仍然是單極性PWM調制技術。HPWM調制技術具有開關損耗小、阻感負載換流時橋臂處于可控狀態、諧波分量少、開關管壽命均衡等優點。BPWM調制技術、UPWM調制波形、HPWM調制波形分別如圖1所示。
圖1 BPWM調制技術、UPWM調制波形、HPWM調制波形
本文使用Matlab/Simulink仿真,對三種調制技術進行仿真驗證。
H橋逆變器的主要仿真參數如下:阻感性負載:電阻負載10 Ω,電感0.5 mH;LC濾波器:濾波電感0.6 mH,濾波電容0.47 μF;直流輸入電壓360 V;載波頻率20 kHz;調制波頻率50 Hz;輸出電壓280 V。
仿真結果如圖2所示。
圖2 仿真結果
通過仿真驗證了以上所述內容,而UPWM的諧波分量比HPWM高也正是因為UPWM在換流逝橋臂處于不可控所帶來的影響。
前級的DC-DC升壓電路選取推挽電路作為前級電路的拓撲結構。推挽電路具有很好的對稱性。推挽電路典型波形如圖3所示。
圖3 推挽升壓電路理想波形
由圖3可知推挽電路具有4種工作狀態,由于對稱性,本文只對t0-t2工作狀態進行分析[4],工作狀態如圖4所示。
圖4 推挽升壓電路狀態
[t0,t1]狀態1:開關管S1開S2關,繞組N1有電流流過,感應電壓。繞組N2有電流輸出,能量向負載輸出。S2上的電壓為2V1。狀態1電路如圖4(a)所示。
[t1,t2]狀態2:在t1時刻開關管S1關斷,開關管在t1-t2內全部關斷,繞組N2不產生電壓,濾波電容支撐負載電壓。使用RC電路消耗漏感能量,從而避免開關管的尖峰電壓。狀態2電路如圖4(b)所示。
后級采用H橋作為拓撲結構,采用Mosfet作為開關管。并聯的小電容是Mosfet輸出結電容的等效,即C1~C4,有C1= C2=C3=C4;VD1~VD4為Mosfet的體二極管。由于工作狀態對稱,本文僅對正半周進行分析,主要波形如圖5所示。在正半周期,電路具有6種狀態[5],如圖6所示。
圖5 H橋電路主要波形
圖6 H橋6種模態
[t0,t1]狀態1:VT1和VT4導通,濾波電感Lt的電流為線性增長,t1時刻VT1關斷電流停止增長。
[t1,t2]狀態2:t1時刻,VT1關斷,Lt續流,VT1流過的電流向C1和C3支路轉移,此時C1充電,C3放電。C1、C3的存在,可以使VT1零電壓關斷。由于t1到t2的時間很短,電感可以等效為恒流源,即電流近似不變。則C1電壓為線性增長變化,C3兩端電壓為線性減少。C3電壓到t2為零,VD3自然導通。
[t2,t3]狀態3:在t2,VD3導通,VT3為零電壓導通。而此階段,VD3與VT3進行換流,VD3為同步整流狀態,Lt零續流狀態,Lt的電流線性變化,t3減小到零。
[t3,t4]狀態4:Lt續流結束,Lt電流反向增大,Lt上電壓為-Uo,Lt儲能,VT3電流線性增加,到t4時刻VT3關斷。
[t4,t5]狀態5:狀態5與狀態2類似,VT3關斷,C3充電,C1放電,VT3零電壓關斷。在t5時刻,C1的電壓減小為零,VD1自然導通。
[t5,t6]狀態6:t5時VD1導通,VT1開通,VT1零電壓開通。VT1和VD1進行換流,VT1為同步整流狀態,向電源回饋能量,Lt的電流負向減小到零。
通過式(1)~式(6)可以得出實現ZVS的條件。
由式(7)可以得出若想實現ZVS則在電路設計時需要注意:
(1)由于一般情況下I1>I2,所以有tdead1>tdead2。H橋的下橋臂驅動電路可以加二極管電阻網絡,這樣可以增加下橋臂的驅動能力,從而使下橋臂驅動電路的死區時間加大。
(2)ZVS的實現需要對Lt最大值有限制,這就很有可能使濾波電感具有較大的電流脈動,因此在選取磁芯時,務必選取電阻率較高、磁芯損耗小的磁芯材料。
3.1DC/DC電路設計
DC-DC變換的拓撲結構是推挽拓撲結構,將汽車蓄電池輸入電壓升壓至直流高電壓,對于前級推挽電路使用SG3525控制芯片。模擬電路構成閉環PI調節。針對前級電路設計了短路與欠壓保護,來確保整個車載逆變器的安全。
3.2DC/AC電路設計
DC-AC電路設計主要是對后級的H逆變橋的主電路進行設計,主要為母線電容選取、LC濾波、控制電路設計。直流母線電容是關鍵參數,由式(8)進行計算。
式中:Ps為輸入功率;Vs為直流電壓;η為效率;w為輸出電壓角頻率。
LC濾波濾除高次諧波,計算濾波電感時,電流紋波為主要考慮因素,式(9)為計算公式。
LC截止頻率為載波頻率的1/10~1/5,可得到電容計算式(10)。
截止頻率200 Hz,可以濾除高次諧波[6]。實際中,該LC濾波器呈現較好的濾波效果。
后級逆變電路使用TDS2285控制芯片,配合硬件死區電路和圖騰柱電路加強驅動能力,后級電路實現了低開關損耗和EMI的目的[7]。
為了驗證設計的可靠性,采用Matlab/Simulink對車載逆變器進行仿真。仿真參數:輸入電壓13 V,HPWM頻率27 kHz,LC濾波器1 mH、4.7 μF,前級母線電容12 mF,后級母線電容330 μF。輸出電壓波形及快速傅里葉變換(FFT)分析,如圖7所示,輸出電壓的諧波電流失真(THD)為1.95%,輸出為較好的正弦波。
圖7 輸出電壓的FFT
為了驗證整個設計的合理性,本文研制了車載逆變器樣機,進行實驗測試。輸入電壓為12~14 V,輸出電壓為225 V,50 Hz。實際調試時,樣機有效實現電壓閉環,諧波含量少。輸出電壓和電流波形(電流鉗方向為反相)如圖8所示。ZVS波形如圖9所示。
圖8 輸出電壓、電流波形
圖9 ZVS波形
說明:本文中所設計的車載逆變器已經申請專利,專利號:ZL201420002317.4。
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Car inverter design based on HPWM modulation technique
LI Dong1,YI Ying-ping1,XIE Ming1,XIAO Fei2
(1.University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Xuji Group,Xuchang Henan 461000,China)
HPWM modulation technology works were described,and pure analog was designed to control power car inverter based on HPWM modulation techniques.DC/DC and DC/AC conversion structures were used by car inverter,and pure analog solutions were chosen by this inverter.The text-based automotive inverter HPWM modulation technology works were elaborated,and the conditions were given to achieve the level ZVS.The two-stage conversion circuit design was analyzed in detail.The experimental results show that this power inverter design is reasonable,stable and reliable operation.
HPWM;car inverter;ZVS
TM 464
A
1002-087 X(2016)01-0180-04
2015-06-12
國家高技術研究發展計劃(2012AA050206)
李棟(1990—),男,新疆維吾爾族自治區人,工學碩士,主要研究方向為電力電子技術。