1 引言
目前，dc/ac逆變電源已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在新能源的開發(fā)和利用中，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等場合，dc/ac變換器更是不可或缺。傳統(tǒng)的逆變技術(shù)雖然成熟可靠，應(yīng)用廣泛，但是存在體積大，笨重，音頻噪聲大等缺點(diǎn)^[1]。高頻鏈逆變技術(shù)^[2,3]利用高頻變壓器替代傳統(tǒng)逆變器中的工頻變壓器，克服了上述缺點(diǎn)，顯著的提高了逆變器的性能，有利于電力電子設(shè)備的小型化和輕量化，是當(dāng)今電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
高頻鏈逆變技術(shù)的關(guān)鍵問題在于如何通過開關(guān)管的高頻切換來產(chǎn)生正確的正弦脈沖以及實(shí)現(xiàn)周波變換器的安全換流?，F(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案較多，相對而言，spwpm^[4,5]技術(shù)有突出的優(yōu)點(diǎn)，它將高頻鏈和spwm調(diào)制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，因而中間變換環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)簡單，整體變換效率和功率密度高。本文所提出的高頻鏈逆變器的方案為dc/ac/ac兩級功率變換結(jié)構(gòu)，采用移相全橋橋式結(jié)構(gòu)作為主電路拓?fù)洌褂胻ms320f240 dsp芯片來產(chǎn)生spwpm數(shù)字化控制信號。該方案思路清晰，實(shí)現(xiàn)過程簡單靈活。

2 主電路拓?fù)渑c工作原理
單極性移相全橋橋式高頻鏈逆變器的主電路拓?fù)湟妶D1。該結(jié)構(gòu)由高頻逆變橋、高頻變壓器、周波變換器和輸出濾波器等部分組成。由于采用dc/ac/ac兩級功率變換結(jié)構(gòu)，電路拓?fù)浜啙嵕o湊，功率密度高，同時具有高頻電氣隔離，雙向功率流動等特點(diǎn)，適用于高壓輸出、中大功率變換場合。

圖1 單極性移相全橋橋式高頻鏈逆變器主電路拓?fù)?BR>

該電路基本工作原理如下：直流電源ud經(jīng)過移相全橋高頻逆變，進(jìn)行spwpm調(diào)制，輸出高頻的雙極性三態(tài)的spwpm脈沖，經(jīng)由高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離和電能傳輸，通過周波變換器高頻解調(diào)后得到單極性spwm波，由lc低通濾波，得到所需要的正弦交流輸出電壓供給負(fù)載使用。

3 spwpm技術(shù)原理分析
3.1 spwpm技術(shù)原理介紹
所謂的spwpm技術(shù)是指不僅對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，使其按照正弦規(guī)律變化，而且對脈沖的位置也進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)制后的波形中不含有直流和低頻成分。根據(jù)這種思路，先改變單極性spwm波的結(jié)構(gòu)，通過移相控制得到高頻spwpm波，并由高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離和傳輸，然后通過周波變換器解調(diào)恢復(fù)為常規(guī)的單極性spwm波，其變換過程見圖2。

圖2 spwpm技術(shù)變換過程

spwpm技術(shù)原理如圖3所示，圖3中詳細(xì)給出了開關(guān)管控制信號及各級輸出波形的產(chǎn)生過程。圖4給出了控制電路具體的邏輯關(guān)系，產(chǎn)生的各個開關(guān)管的驅(qū)動信號，與圖3的各級波形的生成相對應(yīng)。

圖3 spwpm技術(shù)原理圖

圖4 控制電路邏輯關(guān)系

可以看出，互為反相的調(diào)制波u_r1和u_r2分別與u_c鋸齒載波交截，其交點(diǎn)確定各開關(guān)管先后導(dǎo)通和關(guān)斷的時刻。以輸出正弦波的正半周為例，移相全橋電路的四個開關(guān)管k₁、k₂、k₃和k₄進(jìn)行高頻spwpm斬波，輸出雙極性三態(tài)的spwpm脈沖。忽略死區(qū)時間的影響，k₁和k₂、k₃和k₄的驅(qū)動信號互補(bǔ)，但k₁和k₄、k₂和k₃的驅(qū)動信號之間存在相位差θ(0≤θ≤180°)，即移相角，如圖3所示。如果忽略周波變換器開關(guān)管的重疊導(dǎo)通時間，s_1a，s_1b（s_4a，s_4b）和s_2a，s_2b（s_3a，s_3b）的驅(qū)動信號是互補(bǔ)的高頻方波，且相位關(guān)系固定，占空比恒定為50%。通過周波變換器的高頻解調(diào)，使spwpm波恢復(fù)為單極性spwm波（正半周時，恒為正脈沖）。輸出正弦波負(fù)半周時，高頻逆變橋和周波變換器的工作狀況與正半周類似。
由此可得，改變調(diào)制波的頻率和幅值，就可以改變輸出電壓的頻率和大小。如果采用閉環(huán)控制，當(dāng)輸出電壓降低時，閉環(huán)反饋控制使得移相角θ減小，則有效共同導(dǎo)通時間增大，從而使輸出電壓增大。因此，通過調(diào)節(jié)移相角θ便可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
3.2 移相spwpm軟開關(guān)原理和特點(diǎn)
移相spwpm軟開關(guān)是以移相zvs-pwm軟開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，兩者在電路拓?fù)渖蠜]有區(qū)別。移相zvs-pwm軟開關(guān)多用于全橋dc/dc變換器，開關(guān)頻率和占空比都是恒定的，只需通過改變左、右橋臂開關(guān)管的相位差來調(diào)節(jié)輸入的高頻脈寬，得到所需的pwm脈沖，從而控制輸出電壓。
3.2.1高頻移相spwpm軟開關(guān)的鮮明特點(diǎn)
(1) 開關(guān)驅(qū)動信號頻率恒定，但占空比變化。如開關(guān)管k1在正弦波過零點(diǎn)處占空比最小，此時兩個相鄰的spwpm脈沖寬度變化最大；在正弦波達(dá)到幅值時占空比最大，此時兩個相鄰的spwpm脈沖寬度基本不變；
(2) 左、右橋臂開關(guān)的相位差按正弦規(guī)律變化，形成的高頻spwpm脈沖由高頻變壓器進(jìn)行傳輸；左、右橋臂的超前與滯后在輸出電壓的正負(fù)半周是相互轉(zhuǎn)換的，并且流過電流的大小也是按正弦規(guī)律變化的，因此移相全橋電路實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的難易程度也是變化的；
(3) 逆變器輸出的交流電壓幅值大小由spwpm波的調(diào)制比來決定。

圖5 一個開關(guān)周期內(nèi)工作波形

下面詳細(xì)分析一個開關(guān)周期內(nèi)移相spwpm 軟開關(guān)的工作過程，主要原理波形見圖5，電路工作過程大致可分為12個工作模態(tài)，由于電路的對稱性，只需分析其中的6個工作模態(tài)即可。
●模態(tài)1：[t₀，t₁]，t0時刻前，變壓器原邊繞組電壓u_ef=0，電流經(jīng)k₁，d₃流通。t₀時刻，k₄全電壓開通，i_p經(jīng)k₁和k₄流通，直流電源發(fā)出功率。
●模態(tài)2：[t₁，t₂]，t₁時刻k₁零電壓關(guān)斷，原邊電流i_p從k₁中轉(zhuǎn)移到c₂和c₄支路中，c₁充電，c₂放電。在此期間，諧振電感l(wèi)_r和濾波電感l(wèi)_f是串聯(lián)的，l_f很大，可以認(rèn)為i_p近似不變，類似于一個恒流源；i_lf經(jīng)s_1a，d_1b，s_4a，d_4b流通。
●模態(tài)3：[t₂，t₃]，t₂時刻k₂零電壓開通。d₂導(dǎo)通后，將k₂的電壓箝位在零電位，這時開通k₂，則為零電壓開通。
●模態(tài)4：[t₃，t₄]，t₃時刻s_2a，s_2b(s_3a，s_3b)零電壓開通。在這段時間內(nèi)，i_p經(jīng)d₂，k₄流通，u_ef=0；i_lf有兩個流通路徑，分別經(jīng)s_1a，d_1b，s_4a，d_4b和s_2b，d_2a，s_3b，d_3a流通。這段時間為輸出周波變換器換流重疊時間t_oν，以保證s_1a，s_1b(s_4a，s_4b)與s_2a，s_2b(s_3a，s_3b)之間的平滑換流和輸出濾波電感電流的連續(xù)，同時也確保了輸出周波變換器功率器件的zvs。
●模態(tài)5：[t₄，t₅]，t₄時刻s_1a，s_1b(s_4a,s_4b)零電壓關(guān)斷。經(jīng)過換流重疊時間t_oν，電路狀態(tài)基本不變，原邊電壓u_ef=0；i_lf經(jīng)s_2b，s_2a，s_3b，s_3a流通，原邊電流i_p反向，經(jīng)k₂，d₄流通，濾波器前端電壓u_cd=0。
●模態(tài)6：[t₅，t₆]，t₅時刻k₄零電壓電流關(guān)斷。因?yàn)閐₄導(dǎo)通，將k₄兩端電壓箝位在零電位，這時關(guān)斷k₄，則為零電壓關(guān)斷。同時由于電流經(jīng)k₂，d₄形成的回路，k₄中沒有電流，所以k₄又是零電流關(guān)斷。
3.2.2幾點(diǎn)結(jié)論
(1) 移相全橋spwpm逆變部分只能實(shí)現(xiàn)部分開關(guān)管的zvs。其實(shí)現(xiàn)的機(jī)理在于：利用變壓器漏感和外加諧振電感中的儲能對開關(guān)管的并接電容進(jìn)行充放電，抽走電容中的電流，并導(dǎo)通與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管。在正弦波的正負(fù)半周，左、右橋臂的超前與滯后是交替變化的，實(shí)現(xiàn)zvs的難易程度也是交替變化的。
(2) 周波變換器完全實(shí)現(xiàn)了zvs。

4 移相spwpm控制信號的dsp實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的移相zvs-pwm技術(shù)的驅(qū)動信號較為簡單，用專用單片集成電路（如uc3875等）就能產(chǎn)生。而移相spwpm驅(qū)動信號的產(chǎn)生要復(fù)雜的多，其占空比不是恒定的，相位差則是按照正弦變化，目前還沒有專用的單片集成電路的解決方法。

圖6 全比較單元產(chǎn)生移相spwpm驅(qū)動信號

本文利用ti公司的tms320f240芯片的事件管理器來產(chǎn)生所有驅(qū)動信號。定時器gp1、移相控制信號和高頻spwpm脈沖的相位關(guān)系見圖6，具體產(chǎn)生過程如下^[6]：
gp1計數(shù)值處于連續(xù)增減計數(shù)模式，即從0開始遞增至設(shè)定值，然后又遞減至0，依次自動反復(fù)循環(huán)。計數(shù)周期為一個開關(guān)周期(50μs)。當(dāng)計數(shù)值達(dá)到0或者設(shè)定值時，分別發(fā)生下溢中斷或周期中斷，在兩個中斷過程中修改cmpr1和cmpr2中的比較值，而后匹配觸發(fā)，可以獲得pwm驅(qū)動信號。
當(dāng)gp1由0遞增至a點(diǎn),計數(shù)值與cmpr1比較寄存器值匹配，cmpr1輸出電平發(fā)生跳變（k₄驅(qū)動由0跳變?yōu)?，k₃驅(qū)動由1跳變?yōu)?），當(dāng)gp1由a點(diǎn)遞增到b點(diǎn)，與cmpr2比較寄存器值匹配，則cmpr2輸出電平發(fā)生跳變（k₂驅(qū)動由0跳變?yōu)?，k1驅(qū)動由1跳變成0）。
當(dāng)gp1的計數(shù)器達(dá)到設(shè)定值，然后開始遞減計數(shù)。當(dāng)遞減至c，d兩點(diǎn)時，同樣與比較寄存器里的值發(fā)生匹配，cmpr1和cmpr2輸出電平分別發(fā)生跳變，以后過程類似。
由上邊分析可知，移相spwpm驅(qū)動信號為不對稱的pwm波。因此，a、b、c、d點(diǎn)對應(yīng)的比較匹配值也是不同的。這些比較值的計算和更新在gp1的下溢中斷和周期中斷中進(jìn)行。
而周波變換部分的驅(qū)動信號的產(chǎn)生則相對簡單一些，只需在gp1計數(shù)到頂點(diǎn)時發(fā)生跳變，由cmpr3來產(chǎn)生即可。其中s_1a、s_1b、s_4a、s_4b的驅(qū)動信號相同，s_2a、s_2b、s_3a、s_3b的驅(qū)動相同，但它們之間是互補(bǔ)的關(guān)系（換流重疊時間除外）。

5 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在上述原理分析和實(shí)現(xiàn)方案討論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：輸入直流電壓150v，變壓器變比n=22:25，輸出濾波電感l(wèi)f=3.64mh，濾波電容cf=6μf，開關(guān)頻率為20khz，負(fù)載為阻性100ω，輸出為50hz正弦電壓。仿真結(jié)果如下：圖7為變壓器原邊和副邊電壓波形（展開波形）；圖8為濾波器前端電壓波形和輸出正弦電壓?？梢姺抡娌ㄐ闻c前面分析的結(jié)果一致。

圖7 變壓器原邊和副邊電壓波形（展開波形）

圖8 濾波器前端電壓波形和輸出正弦電壓

制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。圖9為輸出電壓正、負(fù)半周的前級逆變移相控制信號，顯然，左、右橋臂的超前和滯后是交替變化的；圖10和圖11為開關(guān)管k1和k3在輸出電壓正、負(fù)半周的驅(qū)動信號ugs和漏源端電壓uds波形。通過對比，可見部分開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了zvs，而且左、右橋臂實(shí)現(xiàn)zvs的難易程度也是交替變換的。圖12為周波變換器開關(guān)管s1a和s2a驅(qū)動信號ugs和漏源端電壓uds波形，可以看到開關(guān)管完全實(shí)現(xiàn)了zvs。圖13 為變壓器原邊和副邊spwpm電壓波形。圖14為濾波器前端電壓波形和輸出電壓電流波形。
輸出電壓波形很好的驗(yàn)證了基于spwpm的移相全橋高頻鏈逆變器的正確性和可行性，也證明了spwpm控制信號的dsp實(shí)現(xiàn)的正確性。

圖9 輸出電壓正、負(fù)半周前級逆變移相控制信號

（ugs：10v/div，uds：100v/div）
圖10 開關(guān)管k1和k3驅(qū)動信號ugs和漏源端電壓uds

（ugs：10v/div，uds：100v/div）
圖11 開關(guān)管k1和k3驅(qū)動信號ugs和漏源端電壓uds

（ugs：10v/div，uds：100v/div）
圖12 周波變換器部分開關(guān)管的驅(qū)動ugs和漏源端電壓uds

圖13 變壓器原邊和副邊spwpm電壓波形

圖14 濾波器前端電壓波形和輸出電壓電流波形

6 結(jié)束語
(1) 采用的單極性移相全橋高頻鏈逆變器，只需兩級功率變換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，是實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動，高變換效率和高功率密度的有效途徑。
(2) 采用基于tms320f240 dsp的spwpm技術(shù)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案，很好的解決了高頻spwpm信號的產(chǎn)生和解調(diào)問題。該方案簡單靈活，可移植性好，只需一個事件管理器就可精確產(chǎn)生所有驅(qū)動信號。
(3) 單極性移相spwpm控制可以實(shí)現(xiàn)前級移相全橋電路部分開關(guān)管的zvs，而且在輸出正弦波的正負(fù)半周，左右橋臂的超前和滯后是相互交替的，因而實(shí)現(xiàn)zvs的難易程度也是交替變化的；而周波變換器則是完全的zvs，減小了開關(guān)損耗。
(4) 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于spwpm的單極性移相全橋高頻鏈逆變器是完全正確和可行的，這對于開發(fā)實(shí)際的中小型、數(shù)字化的逆變裝置具有很好的借鑒意義，應(yīng)用前景廣闊。

作者簡介
包健剛（1982-） 男 研究生在讀，主要研究方向：高頻鏈逆變技術(shù)。

參考文獻(xiàn)
[1] yamato i,tokunaga n,matsuda y et al. high frequency bbbb dc/ac converter for ups with a new voltage clamper. ieee pesc`90,1990:749-756
[2] 陳道煉,張友軍. 單極性移相控制高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器研究. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2003,23(4):27-30
[3] 李磊,胡文斌,陳勁操等. 兩種移相控制全橋式高頻環(huán)節(jié)逆變器比較研究. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2006,26(6):100-104
[4] lai xiangdong,wu baofang,dai zhiping et al. spwpm dc-ac converter with high frequency bbbb. ipemc`97,1997:316-319
[5] 吳保芳,賴向東,段國順. 一種具有高頻鏈高頻環(huán)節(jié)的spwpm變換電路的研究. 電力電子技術(shù),1997(11):44-46
[6] 張玉明,孫曉,孔力. 全橋高頻鏈逆變器的移相spwm技術(shù). 電力電子技術(shù),2003,37(2):69-71