基于直流电压前馈控制数字逆变电源设计与实现

　　1 引言

　　逆变电源一般采用瞬时反馈控制技术来提高逆变电源的动态响应速度，减少输出电压的谐波含量，改善输出电压波形的质量。常见的逆变电源控制技术，有重复控制、谐波补偿控制、无差拍控制、电压瞬时值控制和带电流内环的电压瞬时值控制等类型。其中，带电流内环电压瞬时值环路的双环控制方法因实现简单，系统动态性能优越和对负载的适应性强等优点，而逐渐成为高性能逆变电源的发展方向之一。但传统控制方法是基于逆变电源直流侧输入电压为无脉动直流电压的假定，而实际逆变电源，存在因电网电压波动或负载突变而导致直流侧电压波动的现象。直流输入电压波动会引起逆变器开环增益波动，进而影响输出电压质量。在传统双环控制的基础上，增加输出电压有效值反馈环的三环控制策略，在一定程度上消除了直流输入电压波动导致的输出电压稳态误差，但有效值环对输出电压变化的响应速度较慢，控制过程复杂。

　　此外，正弦脉宽调制逆变电源开关管工作在硬开关状态下，将产生大量的高次谐波，使变换器及负载的损耗加大，设备使用寿命降低，甚至可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。软开关技术是克服以上缺陷的有效方法之一。采用HPWM调制可实现ZVS软开关技术，在不增加硬件和改变变换器拓扑的前提下，可利用现有元器件和开关管的寄生参数，创造逆变桥开关管ZVS软开关条件，从而最大限度地实现ZVS。

　　本文针对直流侧电压扰动时双环控制逆变电源的输出电压波形发生畸变、幅值发生变化的现象，提出了通过输入电压前馈控制环来修正基准正弦信号的幅值，从而改善逆变电源输出电压质量的三环控制方法。同时，借助于DSP强大的运算能力和丰富的外设，实现HPWM逆变电源的数字控制，从而简化了硬件电路。仿真结果表明，本文所提出的控制策略简单实用，可有效地提高逆变电源在直流输入电压扰动下的动态性能和稳态精度，并降低了输出电压的总谐波。

　　2 逆变电源系统建模

　　单相全桥逆变电源的主电路结构如图1所示，直流输入电压Ud经逆变桥后得到脉冲输出电压Ui，再经LC滤波后得到正弦输出电压Uo。

　　由逆变桥平均值模型可知：当三角载波频率fc远高于输出正弦波基频f时，逆变桥输出电压Ui在一个载波周期Tc的平均值 ，可近似看成输出电压基波分量的瞬时值Ui1，即

　　式中：Ud为直流输入电压;UCm为三角载波幅值。令kPWM=Ud/UCm表示正弦调制信号经过逆变桥的增益，因Ud变化而引起的kPWM变化定义为干扰变量。基于电压瞬时值外环和电容电流内环的双环控制系统如图2所示。电压瞬时值外环采用PI调节，电容电流内环采用P调节。开关频率为20kHz，根据转折频率ωn1=ωc/10、阻尼系数ξ=0.3，可得输出滤波器参数[3]为：L=670μH、C=47μF。控制器的仿真参数为：Kv=0.0015，Ki=0.05，kvp=0.098，kvi=350，kip=20。

　　图2 逆变电源双环控制框图

　　考虑逆变电源对输入电压扰动的瞬态响应性能，令Uref=0,io=Uo/R，则可得出输出电压Uo对直流电压扰动Δu的传递函数：

　　由式(2)可知，系统对直流输入电压阶跃响应的调节时间Ts为5ms。因此，当逆变电源输出电压频率为400Hz时，系统的调节时间持续两个正弦周期，但因响应峰值较小，对输出电压波形不会造成明显影响。而当逆变电源输出电压频率为50Hz时，响应峰值集中出现在1/4正弦周期内，使输出电压波形出现失真。

　　3 直流电压前馈控制原理

　　由以上分析可知，双环反馈控制逆变器，对直流输入电压变化的调节有一定的滞后性和稳态误差。为此，本文提出用输入电压前馈环实时检测直流输入电压，对逆变桥增益kPWM进行补偿，抵消直流输入电压Ud波动对逆变电源的影响。因此，在传统双环控制系统中，额定直流输入电压U*d除以采样得到的直流输入电压Ud，再与经双环校正的正弦信号ugm相乘后得到调制信号u′gm，将其送入PWM发生器，如图3所示。

　　图3 逆变电源直流电压前馈控制原理图

　　将调制信号ugm(t)=U′gmsinωt代入(1)式中可得：

　　其中：m′=U′gm/UCm即为补偿后的调制比。为了保证直流电压的利用率，系统需要保持很高的调制度，即m接近于1，也即Ugm接近于UCm。

　　4 HPWM调制原理

　　混合式脉宽调制方式(HPWM)实质为单极性SPWM调制方式，其工作时每半个输出电压周期切换，即同一个桥臂的开关管，在前半个工频周期内工作在低频，而后半个工频周期内工作在高频，从而克服传统单极性控制方式下，总是一个桥臂工作的开关管同时工作在高频状态的缺陷，提高了开关管的使用寿命和系统可靠性。

逆变电源工作在HPWM软开关方式下的输出电压，在一个开关周期内有12种工作状态。基于输出电压正