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DSP控制的正弦波逆变电源
摘要：文章介绍了一种采用DSP来实现SPWM数字化控制的逆变电源设计方案，描述了该逆变电源的硬件工作原理，SPWM波形的产生原理和系统控制算法，通过逆变电源的制作证明其可行性，是一种实用的控制方案。

关键词：逆变电源；DSP；SPWM；PID控制；保护电路
随着新能源产业的发展，对逆变电源输出特性和稳定性的要求也越来越高。

而目前的逆变电源的控制趋势是往数字化发展，数字化可以实现电路的简化，输出特性和效率的提高。

本文设计并研制了1kw 样机，实验结果表明在减少谐波和提高响应速度方面具有优越性。

一、逆变器原理和结构
逆变系统电能变换主要由二部分组成：前级的DC-DC变换器以及后级的DC-AC变换器。

前级需要将地输入的直流电压升压直420V 以上，通过直流母线的连接，再利用DC-AC变换器将直流输入转变成220V AC的交流输出。

DC-DC升压部分选择推挽结构，DC-AC逆变部分采用全桥逆变结构。

核心控制电路使用TMS320F28023，输出SPWM控制信号，控制后级驱动芯片。

图1为逆变电源主体结构图：
DC-DC升压部分采用推挽结构，通过输出互补两路的PWM信号控制开关管，通过高频变压器进行升压到420V。

图2为推挽升压示意图：
逆变部分采用全桥结构，同样利用DSP输出PWMgg号，驱动后级驱动芯片，实现对开关管的控制，通过输出的滤波整形，达到正弦波输出。

该电路主体结构如图3所示。

二、SPWM的实现方法
在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的脉冲，加在具有惯性环节上，其效果基本相同。

基于这个理论，将一组幅度相等，宽度不等的脉冲，使脉冲的中点和相对的正弦等分的中点重合，且使脉冲面积和相应的正弦部分冲量相等，就可以得到一组SPWM波形。

如果把期望的目标波形作为调制信号，把受调制信号作为载波，通过对载波的调制可以得到期望的SPWM波。

(一)SPWM调制模式下ZVS的实现
由于开关频率的提高，传统硬开关模式存在以下一些主要问题：开关损耗问题，容性开通问题和感性关断问题，二极管反向恢复问题，引起整体电路EMI问题。

而软开关ZVS技术在这个方面能够有效的防止或者减少以上问题的产生。

理想状态下ZVS开通过程是：电压下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近似为零。

因功率
管开通前电压已下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不存在。

关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。

由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。

图4为ZVS软开关示意图。

(二)SPWM软件控制实现
产生SPWM的方法有硬件法和软件法，其中的软件法是通过实时计算来生成SPWM波，利用DSP实现软件法而且其外围电路简单通用，可编程能力强，是性价比最好的SPWM生成方法。

虽然软件法要求建立数学模型而且对MCU的运算能力要求高，但是DSP的特点在于运算能力强大，同时提供专用的PWM通道，因此是理想的控制处理器。

三、PlD控制
PID控制的特点是控制方式简单，参数易于整定。

但是在逆变电源上运用PID却是存在很大的不足：如果控制策略中采用简单的输出电压瞬时值反馈，负载为非线性负载时，动态性能将不会令人满意。

若采用庞大的模拟控制电路，将使得控制系统的可靠性下降，而且也不易于参数的整定。

针对传统的PID控制的种种不足，引入DSP控
制芯片，利用DSP的运算能力可以得到改善。

四、保护电路
逆变电源的基本结构除上述的升压，逆变电路和控制电路外，还有系统保护电路。

蓄电池充放电控制电路：当蓄电池的电压过高时，将停止充电，相反，当蓄电池的电压过低时，太阳能电池输出电压就对蓄电池充电。

负载短路保护：承受负载短路的电路保护，当负载发生短路时切断电源。

反接保护：承受负载、太阳能电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。

雷击保护：承受在多雷区由于雷击引起的击穿保护，防止雷击击穿。

欠压保护：当蓄电池电压低于“欠压点”时，为了避免过放电而损坏蓄电池，设备将自动切断逆变输出。

过载保护：如果交流输出功率超过额定功率时，设备将自动切断逆变输出。

五、实验技术参数
通过1kW样机的制作，对样机进行容性负载的实验，在太阳能板输入电压为：40-60VDC的条件下，输出电压达到：2204±10％V AC，输出频率：50±0.5％Hz，输出波形畸变度：≤5％，功率因数：≥0.7，输出效率：≥91％。

基本满足行业标准，验证了本系统的可行
性。

六、结语
相对普通单片机而言，以DSP作为主控芯片，能够充分利用其强大的运算能力，在减少谐波和提高响应速度方面具有优越性，满载最高效率达到92％，可以看出DSP在逆变电源的运用上，有着强大的优越性，适用于对输出特性要求较高的场合。

参考文献：
[1]李宏，王崇武，现代电力电子技术基础[M]，机械工业出版社，2008
[2]徐科军，陶维青，汪海宁，DSP及其电气与自动化工程应用[M]，北京航空航天大学出版社，2010
[3]林渭勋，现代电力电子技术[M]，机械工业出版社，2006
[4]刘凤君，正弦波逆变器[M]，科学出版社，2002。