1 引 言
    近 年 来 ， SPWM逆 变 器 已 经 在 许 多 交 流 电 能 调 节 系 统 中 得 到 广 泛 应 用 ， 相 对 于 半 桥 而 言 ， 全 桥 逆 变 器 的 开 关 电 流 减 小 了 一 半 ， 因 而 更 适 合 于 大 功 率 场 合 。 在 SPWM全 桥 逆 变 器 中 ， 为 实 现 输 入 输 出 之 间 的 电 气 隔 离 和 得 到 合 适 的 输 出 电 压 幅 值 ， 一 般 在 输 出 端 接 有 基 频 交 流 变 压 器 。 而 在 输 出 变 压 器 中 ， 由 于 各 种 原 因 引 起 的 直 流 偏 磁 问 题 致 使 铁 心 饱 和 ， 从 而 加 大 了 变 压 器 的 损 耗 ， 降 低 了 效 率 ， 甚 至 会 引 起 逆 变 器 颠 覆 ， 严 重 影 响 了 SPWM全 桥 逆 变 器 的 正 常 运 行 ， 必 须 采 取 措 施 加 以 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 了 优 良 的 动 态 响 应 特 性 和 较 小 的 谐 波 畸 变 率 。 但 模 拟 控 制 存 在 着 分 散 性 大 、 温 度 漂 移 及 器 件 老 化 等 不 利 因 素 ， 因 而 给 设 备 调 试 及 维 护 造 成 许 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 的 优 势 ， 因 而 引 起 了 高 度 的 重 视 。
    本 文 在 对 SPWM全 桥 逆 变 器 中 输 出 变 压 器 直 流 偏 磁 机 理 分 析 的 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 数 字 PI控 制 方 案 ， 通 过 采 样 输 出 变 压 器 原 方 电 流 来 调 整 触 发 脉 冲 宽 度 。 该 方 案 利 用 DSP芯 片 TMS320F240在 一 台 全 数 字 化 6 kW、 400 Hz中 频 逆 变 电 源 上 得 以 实 现 ， 实 验 结 果 表 明 所 提 出 的 方 案 较 好 地 抑 制 了 输 出 变 压 器 的 直 流 偏 磁 。
2 直 流 偏 磁
    DSP控 制 的 SPWM全 桥 逆 变 器 如 图 1所 示 。 直 流 偏 磁 是 指 由 于 输 出 变 压 器 原 边 电 压 正 负 波 形 不 对 称 ， 引 起 变 压 器 铁 心 工 作 磁 滞 回 线 中 心 点 偏 离 零 点 ， 从 而 造 成 磁 工 作 状 态 不 对 称 的 现 象 。 变 压 器 工 作 时 ， 磁 感 应 强 度 B的 变 化 率 为

式 中 ： U₁ — — 变 压 器 原 边 电 压 ；
         N₁— — 变 压 器 原 边 绕 组 匝 数 ；
         A_e— — 变 压 器 铁 心 截 面 积 ；
         L_o— — 变 压 器 铁 心 磁 路 长 度 ；
        μ₀— — 空 气 磁 导 率 ；
        μ_r— — 变 压 器 铁 心 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 ， 铁 心 磁 工 作 点 将 以 原 点 为 中 心 沿 着 磁 滞 回 线 对 称 地 往 复 运 动 。 反 之 ， 若 输 出 变 压 器 原 边 电 压 正 负 波 形 不 对 称 ， 正 负 半 波 伏 秒 积 不 等 ， 则 使 正 负 半 波 磁 感 应 强 度 幅 值 不 同 ， 磁 工 作 区 域 将 偏 向 第 一 或 第 三 象 限 ， 即 形 成 直 流 偏 磁 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 ， 使 得 加 在 变 压 器 原 边 的 电 压 正 负 波 形 幅 值 不 等 ；
    2） 由 于 控 制 系 统 中 正 弦 调 制 波 或 三 角 载 波 存 在 直 流 分 量 ； 或 是 由 于 四 路 脉 冲 分 配 及 死 区 形 成 电 路 不 对 称 ； 或 是 由 于 采 用 波 形 校 正 技 术 来 对 脉 宽 进 行 动 态 调 节 ； 或 是 由 于 主 电 路 中 功 率 开 关 管 关 断 时 的 存 储 时 间 不 一 致 ； 使 得 加 在 变 压 器 原 边 的 电 压 正 负 波 形 脉 宽 不 等 ；
    3） 由 于 SPWM逆 变 器 在 短 路 保 护 或 关 机 时 采 用 驱 动 脉 冲 瞬 时 封 锁 法 ， 工 作 周 期 不 完 整 ， 导 致 变 压 器 铁 心 的 剩 磁 过 高 ， 使 得 变 压 器 铁 心 的 磁 工 作 区 域 偏 离 零 点 。
    由 上 述 分 析 可 知 ， 在 SPWM全 桥 逆 变 器 中 必 然 存 在 着 直 流 偏 磁 。 如 前 所 述 ， 直 流 偏 磁 会 导 致 铁 心 饱 和 ， 不 仅 加 大 了 变 压 器 的 损 耗 ， 降 低 了 效 率 ， 增 大 了 噪 声 ； 而 且 使 两 路 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 磁 继 续 积 累 ， 铁 心 进 入 深 度 饱 和 ， 磁 工 作 点 进 入 非 线 性 区 ， 变 压 器 铁 心 相 对 导 磁 率 μ r将 迅 速 减 小 。 由 式 (2)可 见 ， 这 将 导 致 励 磁 电 流 Iμ 迅 速 增 大 ， 甚 至 会 引 起 逆 变 颠 覆 ， 使 功 率 开 关 管 因 过 流 而 损 坏 ， 严 重 影 响 了 SPWM全 桥 逆 变 器 的 正 常 运 行 ， 因 此 必 须 采 取 措 施 加 以 解 决 。
    为 解 决 SPWM全 桥 逆 变 器 中 存 在 的 直 流 偏 磁 问 题 ， 一 般 可 采 取 如 下 措 施 ：
    1） 变 压 器 铁 心 加 气 隙 ， 增 加 铁 心 的 磁 阻 ， 提 高 变 压 器 抗 直 流 偏 磁 的 能 力 ； 磁 通 密 度 按 单 相 工 作 状 态 选 取 ， 但 这 样 却 降 低 了 铁 心 的 利 用 率 ， 增 大 了 变 压 器 的 体 积 和 重 量 。
    2） 变 压 器 原 边 绕 组 串 接 一 个 无 极 性 隔 直 电 容 ， 这 种 方 案 一 般 仅 适 合 于 小 功 率 逆 变 电 源 ， 而 不 适 合 于 中 大 功 率 逆 变 电 源 。 这 一 方 面 是 因 为 无 极 性 电 容 耐 压 和 容 量 的 限 制 ， 需 要 大 量 的 电 容 进 行 串 并 联 ， 从 而 大 大 增 加 了 成 本 、 体 积 和 重 量 ； 另 一 方 面 是 因 为 主 电 路 中 串 入 隔 直 电 容 ， 降 低 了 功 率 传 递 效 率 ， 影 响 了 逆 变 器 的 动 态 特 性 。
    3） 选 择 饱 和 压 降 和 存 储 时 间 特 性 一 致 的 功 率 开 关 管 用 于 SPWM全 桥 逆 变 器 ， 减 小 控 制 电 路 的 脉 宽 失 真 和 驱 动 延 时 。
    4） 在 动 态 情 况 下 限 制 控 制 信 号 的 最 大 变 化 率 ， 使 正 负 半 波 尽 量 对 称 ， 但 这 样 却 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 机 技 术 ， 使 变 压 器 剩 磁 很 小 ， 防 止 开 机 时 产 生 瞬 态 饱 和 。
    此 外 ， 一 些 资 料 也 提 出 了 一 些 抗 直 流 偏 磁 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 ， 文 献 [3]提 出 的 采 样 保 持 法 ， 文 献 [4]提 出 的 双 环 控 制 法 等 等 ， 但 这 些 方 法 均 只 适 用 于 DC/AC/DC变 换 器 中 的 逆 变 器 部 分 。 文 献 [5]提 出 的 静 态 补 偿 和 适 时 补 偿 法 较 好 地 解 决 了 SPWM全 桥 逆 变 器 中 存 在 的 直 流 偏 磁 问 题 ， 但 却 属 于 模 拟 控 制 。 本 文 通 过 采 样 输 出 变 压 器 原 边 电 流 ， 通 过 数 字 PI控 制 器 来 调 整 触 发 脉 冲 宽 度 ， 较 好 地 解 决 了 全 数 字 化 SPWM逆 变 电 源 中 存 在 的 直 流 偏 磁 问 题 。
3 数 字 PI抗 直 流 偏 磁
    在 SPWM全 桥 逆 变 器 中 ， 输 出 变 压 器 的 原 边 电 流 为 折 算 到 原 边 的 副 边 电 流 与 原 边 的 励 磁 电 流 之 和 。 如 上 所 述 ， 当 发 生 直 流 偏 磁 时 ， 在 第 一 或 第 三 象 限 ， 变 压 器 铁 心 相 对 导 磁 率 μ r迅 速 减 小 ， 某 一 方 向 的 励 磁 电 流 Iμ 以 指 数 规 律 迅 速 增 大 ， 导 致 输 出 变 压 器 原 边 电 流 的 直 流 分 量 也 迅 速 增 大 。 因 此 ， SPWM全 桥 逆 变 器 的 直 流 偏 磁 问 题 ， 可 归 结 为 输 出 变 压 器 原 边 电 流 的 直 流 分 量 的 产 生 和 迅 速 增 长 的 问 题 。 如 果 能 将 原 边 电 流 的 直 流 分 量 迅 速 检 测 出 来 ， 并 加 以 控 制 使 之 减 小 ， 就 可 以 解 决 直 流 偏 磁 问 题 ， 使 SPWM全 桥 逆 变 器 正 常 运 行 。
    在 输 出 变 压 器 中 ， 励 磁 电 流 一 般 仅 占 原 边 电 流 的 2％ ， 因 此 原 边 电 流 直 流 分 量 的 检 测 必 须 首 先 滤 除 励 磁 电 流 中 的 基 波 及 高 频 成 分 ， 然 后 再 将 剩 下 的 直 流 分 量 放 大 后 用 于 控 制 。 励 磁 电 流 中 直 流 分 量 的 提 取 有 硬 件 提 取 和 软 件 提 取 两 种 方 法 。 硬 件 提 取 可 先 经 有 源 滤 波 ， 再 通 过 A/D口 读 入 直 流 量 实 现 ； 软 件 提 取 则 通 过 原 边 电 流 瞬 时 双 极 性 A/D采 样 并 通 过 一 定 的 滤 波 算 法 来 实 现 。
    图 4给 出 了 SPWM全 桥 逆 变 器 抗 直 流 偏 磁 数 字 PI控 制 器 的 原 理 框 图 。 对 控 制 器 而 言 ， 要 求 原 边 电 流 直 流 分 量 以 最 小 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 I_e（ K） 为 一 个 很 小 的 值 ， 误 差 I_e(K)定 义 为
    I_e(K)=0－ i_1dc(K)(3)
式 中 ： i_1dc(K)为 所 提 取 的 原 边 电 流 直 流 分 量 。

    数 字 PI控 制 器 根 据 i_1dc(K)来 产 生 所 要 求 的 控 制 量

    采 用 增 量 式 PI控 制 算 法 ， 其 增 量 表 达 式 为 ：
    u(K)=u(K－ 1)＋ Δ u(K)（ 5）
    Δ u(K)=Kp[I_e(K)＋ I_e(K－ 1)]＋ K_II_e(K)（ 6）
    数 字 PI控 制 器 在 过 去 几 十 年 里 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 其 实 现 简 单 直 观 、 鲁 棒 性 好 、 可 靠 性 高 ， 在 一 定 的 运 行 范 围 内 可 以 获 得 较 为 满 意 的 控 制 效 果 。 在 本 文 中 ， 采 样 输 出 变 压 器 原 边 电 流 用 于 反 馈 ， 通 过 数 字 PI控 制 器 得 出 的 控 制 量 可 用 于 对 SPWM驱 动 脉 宽 进 行 修 正 ， 以 减 小 原 边 电 流 中 的 直 流 分 量 ， 把 变 压 器 的 直 流 偏 磁 限 制 在 较 小 的 范 围 之 内 。
    此 外 ， 在 程 序 中 也 采 用 软 启 动 技 术 ， 使 变 压 器 剩 磁 很 小 ， 防 止 开 机 时 产 生 瞬 态 饱 和 。 为 防 止 驱 动 脉 冲 过 窄 而 丢 失 造 成 直 流 偏 磁 ， 对 SPWM驱 动 波 形 的 最 小 占 空 比 进 行 了 限 制 。 为 避 免 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 ， 程 序 中 还 采 用 了 直 流 母 线 电 流 滞 环 封 锁 技 术 ： 当 直 流 母 线 电 流 超 过 滞 环 上 限 值 时 ， 则 封 锁 相 应 驱 动 脉 冲 ， 直 到 电 流 减 小 到 滞 环 下 限 值 时 ， 再 开 放 控 制 脉 冲 ， 从 而 避 免 逆 变 颠 覆 ， 有 效 地 保 护 了 开 关 管 。
4 物 理 实 现 和 实 验 结 果
    本 文 采 用 德 州 仪 器 公 司 （ TI） 提 供 的 DSP 芯 片 TMS320F240来 实 现 SPWM全 桥 逆 变 器 的 数 字 控 制 。 TMS320F240具 有 许 多 优 良 的 特 性 ， 诸 如 采 用 先 进 的 哈 佛 型 结 构 、 50 ns指 令 周 期 时 间 、 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 内 FLASH ROM及 224k字 × 16位 存 储 器 地 址 范 围 。 为 适 用 于 功 率 变 换 器 领 域 ， TMS320F240还 集 成 了 先 进 的 外 围 设 备 ， 包 括 含 12路 PWM通 道 的 事 件 管 理 器 模 块 、 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 、 串 行 通 信 接 口 、 串 行 外 设 接 口 、 6种 外 部 中 断 和 28个 独 立 编 程 多 路 复 用 I/O引 脚 。
    本 文 介 绍 的 数 字 PI抗 直 流 偏 磁 方 案 已 在 一 台 直 流 175～ 320 V输 入 ， 交 流 400 Hz、 230 V、 6 kW输 出 的 × × 艇 中 频 逆 变 电 源 中 得 到 应 用 。 为 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 降 低 开 关 损 耗 ， 此 模 块 开 关 频 率 为 10 kHz。 为 消 除 高 频 噪 声 ， 减 小 滤 波 电 路 的 体 积 和 重 量 ， 采 用 单 极 倍 频 技 术 使 输 出 变 压 器 原 边 的 SPWM波 形 的 最 低 次 谐 波 为 20 kHz。 逆 变 器 满 载 时 的 实 验 波 形 图 5所 示 ， 其 中 图 5(a)为 S1和 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)为 逆 变 器 原 边 电 流 i1波 形 ， 图 5(d)为 逆 变 器 输 出 电 压 uo的 波 形 。

5 结 语
    在 对 SPWM全 桥 逆 变 器 中 输 出 变 压 器 直 流 偏 磁 机 理 分 析 的 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 数 字 PI控 制 方 案 ， 通 过 采 样 输 出 变 压 器 原 边 电 流 ， 并 提 取 其 直 流 分 量 来 调 整 触 发 脉 冲 宽 度 。 该 方 案 采 用 DSP芯 片 TMS320F240， 在 一 台 全 数 字 化 6 kW、 400 Hz中 频 逆 变 电 源 上 得 以 实 现 ， 实 验 结 果 表 明 所 提 出 的 方 案 在 很 大 程 度 上 减 小 了 偏 磁 所 引 起 的 噪 声 ， 较 好 地 解 决 了 输 出 变 压 器 的 直 流 偏 磁 问 题 。

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