高性能逆变电源的实现与分析

逆变电源是不间断电源、静止航空电源、新能源发电技术等许多设备的关键部件。许多场合都要求逆变器能输出失真度小的正弦波，因而消除谐波是逆变电源的基本要求之一。笔者拟采用单片机作为控制器，脉冲信号产生采用消谐PWM法，详细介绍其硬件、软件实现过程。

1、消谐PWM控制

采用PWM控制技术的主要目的之一是为了解决逆变电源输出的谐波问题，高频PWM控制不仅可以有效地减小输出电压的谐波含量，而且可以方便地调节输出电压的大小。消谐控制的基本思想是：以PWM脉冲波形的切换点相位作为未知数，通过PWM脉冲的傅里叶级数分析，获得输出电压的基波分量和各次谐波分量的表达式，然后根据基波和各次谐波幅值的要求建立一个与未知数个数相等的方程组，通过求解方程组，获得各个脉冲的切换时刻，并按该时刻实施控制，则输出电压的基波和各次谐波幅值将会是期望值。一般情况下，总是令基波幅值为一个期望的非零值，而令各次谐波的大小为零，这样经过消谐PWM控制方程的逆变器将不含指定的低阶谐波值。

假定逆变器输出PWM波形在四分之一周期内有N个开关切换点，每个开关切换点对应的相位角分别为(ai=1，2，…，N)，且有0≤a1

式(1)为双极性调制且开关角个数N为奇数时的表达式，式(2)为双极性调制且开关角个数N为偶数时的表达式，式(3)为单极性调制时的表达式。设逆变器输出基波电压幅值与输入直流母线电压比值为M，假定式(1)、式(2)对应的PWM波形用于三相逆变器，式(3)对应的PWM波形用于单相逆变器，则式(1)~(3)式可得出相对应的消谐方程分别如(4)~(6)式所示。求解上述方程即可得到一组开关切换角，将此切换角转化为单片机定时计数脉冲数据表保存在程序存储器中，供实时控制时查询。

2、控制系统

控制系统是按照给定信号的要求，控制并调节主电路开关管的开通与关断，从而控制主电路产生期望的输出电压，并使输出电压尽可能地跟随给定的电压信号。图1给出了逆变电源的硬件电路基本框图。触发脉冲的产生采用数字电路的方法，完全可以用控制器的软件程序来实现其功能，节约了成本，而且相比较于模拟电路，这种方法的抗干扰能力较强。

逆变电路控制系统以AVR单片机为核心，其功能主要是产生全桥逆变电路中开关管的驱动信号，同时通过实时采样线路电压和电流来实现逆变电源的调节和保护。对于直流母线侧的输入电压信号，采用霍尔传感器变压后，电压信号经过由运算放大器组成的射级跟随器，送到窗口比较器，窗口的上下两阈值分别对应过电压和欠电压限值，如果在窗口范围内则电压正常，否则输出过电压或欠电压故障信号;对于直流母线侧的电流信号，采用采样电阻对其进行测量，采样电阻两端电压送运算放大器放大和抗干扰滤波处理后，与设定的过电流阈值比较，实现逆变器的输出或内部电路过电流的报警和处理。以上两种保护信号经过逻辑与处理，送到单片机的外部中断请求输入引脚，无论何种情况引起的故障信号，均可以向单片机提出中断请求，单片机响应中断，通过封锁所有开关管的驱动信号来实现保护，同时给出故障指示。