高性能逆变电源的实现与分析

逆变电源是不间断电源、静态航空电源、新能源发电技术等诸多设备的关键部件。许多场合要求逆变器能够输出小失真的正弦波，消除谐波是逆变电源的基本要求之一。本文采用单片机作为控制器，用消谐PWM法产生脉冲信号。详细介绍了硬件和软件实现过程。

1.谐波消除PWM控制

采用PWM控制技术的主要目的之一是解决逆变电源输出的谐波问题。高频PWM控制不仅可以有效降低输出电压的谐波含量，可以方便地调节输出电压。消谐控制的基本思想是:将PWM脉冲波形的开关点相位作为一个未知数，通过对PWM脉冲的傅里叶级数分析，得到输出电压的基波和谐波分量的表达式，根据基波和谐波幅值的要求，建立一个等于未知数个数的方程组。通过求解方程组，得到每个脉冲的开关时间，并根据这个时间进行控制，那么输出电压的基波和谐波的幅值就是期望值。一般情况下，基波的幅值总是一个期望的非零值，而各次谐波的幅值为零，这样具有消谐PWM控制方程的逆变器就不会包含指定的低次谐波值。

假设逆变器输出PWM波形在四分之一周期内有N个开关点，每个开关点对应的相角为(AI = 1，2，...，n)，且0≤a1。

公式(1)是双极调制中切换角度n的数量为奇数时的表达式，公式(2)是双极调制中切换角度n的数量为偶数时的表达式，公式(3)是单极调制中切换角度n的数量为偶数时的表达式。假设逆变器的输出基波电压幅值与输入DC总线电压的比值为M，假设对应于表达式(1)和(2)的PWM波形用于三相逆变器，对应于表达式(3)的PWM波形用于单相逆变器，则相应的谐波消除方程可以分别从表达式(1)-(3)获得，如表达式(4)-(6)所示。求解上述方程可以得到一组开关角，将开关角转换成单片机定时计数脉冲数据表，存储在程序存储器中进行实时控制。

2.操纵系统

控制系统根据给定信号的要求控制和调节主电路的开关通断，从而控制主电路产生所需的输出电压，使输出电压尽可能地跟随给定的电压信号。图1显示了逆变电源硬件电路的基本框图。触发脉冲由数字电路产生，完全可以通过控制器的软件程序实现其功能，节省了成本。与模拟电路相比，该方法具有更强的抗干扰能力。

逆变电路的控制系统基于AVR单片机，其功能是产生全桥逆变电路中开关管的驱动信号，通过对线电压和电流的实时采样，实现逆变电源的调节和保护。对于DC母线侧的输入电压信号，利用霍尔传感器对电压信号进行转换，通过运算放大器组成的射极跟随器将电压信号送到窗口比较器。窗口的上限和下限分别对应过压和欠压限值。如果在窗口范围内，则电压正常，否则输出过压或欠压故障信号。对于DC母线侧的电流信号，采样电阻用于测量。采样电阻两端的电压送入运算放大器进行放大和抗干扰滤波，与设定的过流阈值进行比较，实现逆变器输出或内部电路过流的报警和处理。上述两种保护信号经过逻辑处理后送到单片机的外部中断请求输入引脚。无论引起哪种故障信号，单片机都可以发出中断请求。单片机响应中断，阻断所有开关的驱动信号实现保护，给出故障指示。