一種數字控制SPWM逆變器的設計

    王偉，尹真，黎昌浪

    (西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：研究了一種數字控制逆變器，采用智能功率模塊Ps21865，減少了系統的復雜性，提高系統的可靠性。分析了單極性sPwM控制策略的優點和應用場合，給出了基于轉速／電流雙閉環控制的sPwM閾制策略，完成了對直流變頻空調壓縮機的控制，并給出實驗波形。

    關鍵詞：sPwM逆變器；單極性；智能功率模塊；雙閉環控制

O引  言

    隨著電力電子技術的發展，各種逆變器在各行業中應用十分廣泛。具有高速運算能力的DsP的問世，使逆變器控制的全數字化成為現實，許多先進的現代控制理論和方法在逆變器中得到應用，使逆變器的穩定性和可靠性大幅度提高。目前正弦脈寬調制技術SPwM是應用****泛的技術。與PwM方波驅動相比，正弦波驅動時無刷直流電動機的機械特性和轉矩特性并無明顯變化，但是采用正弦波驅動方式的無刷直流電動機，具有效率高、轉矩波動小、噪聲低、響應快、調速特性好、運行可靠、控制特性優良等優點。sPwM制驅動又可以分為單極性驅動和雙極性驅動兩種。雙極性驅動適合于對效率沒有要求的高精度伺服應用場合，而對于像家電這類對系統能效有較高要求而調速控制精度要求不是很高場合，更適合采用單極性驅動。本文設計了一種數字控制逆變器，采用智能功率模塊和單極性sPwM控制策略，完成了轉速／電流雙閉環控制。

l逆變器電路設計

    常用的電力電子全控型功率半導體器件有晶閘管、功率場效應管、雙極型晶體管等。功率場效應管具有開關速度高、電壓控制實現簡單等優點，但是器件導通時壓降較大，且電壓、電流容量相對較��；雙極型晶體管的優缺點則正好與功率場效應管的優缺點相反。絕緣柵一雙極型復合晶體管(以下簡稱IGBT)是功率場效應管與雙極型晶體管所形成的復合器件，綜合了兩者的優點，廣泛應用于各種大中型電力電子裝置當中。

    各種分立型功率器件需要設計專門的驅動電路才能實現使器件工作在開關狀態并獲得較低的動靜態損耗的效果，而隨著功率器件工作頻率不斷提高，分立元件固有的引線電感、寄生電容等對器件造成了更大的電應力，主要表現為過電壓、過電流尖峰。本設計采用的IPM智能功率模塊是以IGBT為功率器件，并同時將驅動電路和各種保護電路集成到同一模塊內的新型混合集成電路，較好地解決了寄生電感和電容的影響。IPM模塊對電源電路和驅動電路的引線設計進行了優化處理，所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲干擾等問題得到有效控制，能夠實現更快的開關速度，降低系統的復雜性并提高系統的可靠眭。

    本文控制系統的輸入電壓為220 V(AC)，整流以后的直流電壓****值為311 V(Dc)，控制對象為直流變頻空調壓縮機，其功率為800 w，該壓縮機電機的結構為無刷直流電動機結構。考慮到系統的通用性和擴展性，選擇了600 V／20 A的IPM模塊，型號為三菱公司的PS21865。圖1中的PS21865采用的是上橋臂IGBT管單獨配置驅動電路，下橋臂三管共用驅動電路的方式。這樣簡化了電路的設計，

同時在內部電路設計時方便了布線。

    圖1是逆變器功率電路原理圖，由于DsP是弱電部分，工作電壓僅為5 V，而盡管IPM的輸入信號與DsP的電平兼容，但是為了保護DsP以及弱電電路，在DSP和IPM之間使用了光電耦合器實現電氣隔離。本設計必須使用高速光電耦合器才能滿足驅動信號變化迅速的要求，在此使用的是6N136，即圖中的ul～u6。而故障輸出則可以采用通用光電耦合器如Pc817，以降低成本。在圖1中，由于Ps21865輸入信號自帶有下拉電阻，因此在6N136后又接一級緩沖電路(采用集成總線緩沖器74Hc244)來驅動IPM模塊工作。R10作為母線采樣電阻，采集母線電流，經過由C1、R9構成的低通濾波器送人PS21865。c2控制故障輸出的低電平寬度，一般取值為2．2 nF，對應的時間為1．8 ms。

2單極性SPwM技術

    sPwM逆變器，即期望其輸出電壓是純粹的正弦波形，那么，可以把一個正弦半波分成N等分，如圖2所示，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。

    sPwM驅動可以分為單極性驅動和雙極性驅動兩種。單極性驅動是