400HZ逆变电源的研究

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毕业设计（论文）题目：400HZ逆变电源的研究
学生姓名：学号：
学部（系）：机电学部电气工程及自动化系
专业年级：电气工程及自动化
指导教师：职称或学位
年 5月20日
目录
摘要 (II)
关键字 (II)
ABSTRACT (III)
KEY WORDS (III)
前言 (1)
1.绪论 (3)
1.1数字化逆变电源的发展 (3)
1.2 数字化逆变电源的控制 (3)
1.3 本文主要研究内容 (3)
2.直流变换器型高频环节逆变 (5)
2.1SPWM脉宽调制技术 (5)
2.2直流变换器型高频环节逆变 (7)
2.3本章小结 (10)
3.直流/交流变换器（逆变器） (11)
3.1 逆变器的类型和性能指标 (11)
3.2 电压型单相方波逆变电路工作原理 (11)
3.3 电压型单相逆变器电压和波形控制 (11)
3.4 三相逆变电路工作原理 (12)
3.5 三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制 (12)
3.6 三相逆变器电压空间矢量 (12)
4.系统综述 (13)
4.1 技术指标 (13)
4.2 系统主电路 (21)
4.3 驱动，测量，保护电路 (19)
4.4 本章小结 (21)
5.改进型重复控制 (22)
5.1 概述 (22)
5.2 数字PID控制技术 (22)
5.3 重复控制技术 (23)
5.4 改进型重复控制 (26)
5.5 改进型重复控制器参数设定 (27)
结束语 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
400HZ逆变电源的研究
摘要
400Hz逆变电源是航空专用电源，由于其应用的特殊场合，也就对其提出更高的要求，数字化、高效率、高性能是专用逆变电源的发展方向。

本论文针对这些要求，提出一种新颖的逆变电路拓扑结构，并以DSP2407A为控制核心，采用改进型重复控制算法，进行了400Hz逆变电源的研制。

本文对逆变主电路结构进行了分析，然后重点以Dsp2407A 为核心的控制电路的设计及改进型重复控制算法的实现。

逆变电路采用直流变换器型高频环节逆变技术，直流变换器型高频环节逆变器由直流变换器与极性反转逆变桥级联而成，具有电路结构简洁、前级工作在SPWM、后级工作在中频方波逆变、逆变桥功率开关电压应力低且实现ZVS、抗输入电压扰动能力等优点。

控制系统DSP TMS320LF2407A为核心。

目前市场上的产品大都采用模拟控制方式，其中存在控电路元件多、灵活性差、一致性差等很多问题。

本论文针对这些问题，采用数字控制器，具有硬件电路简单，系统升级方便等特点，符合现代逆变电源的发展方向，具有广阔的应用前景。

为了取得更好的控制效果，把改进型重复控制算法应用到本系统当中，改进型重复控制把重复控制与PID控制相结合，取得较好的动态和稳态特性。

关键词：直流变换器; 改进型重复控制；逆变
Research on 400HZ inverter power
Abstract
400Hz inverter is a special powers supply used in the aeronautical system．More demands ate proposed for its special application．Digital control、high efficiency、high capability accords with the development trend of the power supply．For this demand，paper give analyzing and researching about a novel topology of circuit and modified repetitive control stratergy based on
DSP2407A．The paper will give a comprehensive introduction about a novel circuit，then we focus on control circuit design and modified repetitive control stratergy realization．High-frequency link inverter belonging to the type of direct current convertor is used in inverter circuit，and It is made up of direct current convertor and polarity reversal inverter bridge．It has many advantages，such as concision of circuit structure，the former grade working at SPWM mode，the later grade working at middle frequency quadrate wave inverter，low voltage stress of inverter bridge’S power switch and achieving ZVS，high ability of resisting input voltage disturbingIt is a digital control system based on DSP—TMS320LF2407A．There ate some disadvantages such as too many control elements、unflexible、bad consistency．Due to all of this disadvantages of analog control mode used in current products，the implementation of digital controller is described in this paper．The system has the characteristic of simple circuit and scanty cost of upgrade，accords with the development trend of modern convertor，it will have wide applications．In order to get a good control state，a modified repetitive control stratergy is proposed and realized in this system，and dynamic state and steady state characteristics are improved．
KEY WORDS：Direct Current Convertor; Modified Repetitive Control；inverter
前言
电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分，运用先进功率电子器件及控制技术可以使逆变电源比传统电源设备具备更好的稳定性和可靠性。

400HZ中频逆变电源广泛应用于飞机、雷达、通信等领域，其对逆变电源的稳定精度、可靠性等提出了高要求。

逆变电源是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中一个
重要部件。

随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。

各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。

其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。

毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。

通常,把交流电变成直流电的过程叫做整流,完成整流功能的电路叫做整流电路；与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫逆变,完成逆变功能的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变器或逆变电源。

逆变电源按照不同的分类方式可分为多种类型：（1）按照逆变电源输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。

工频逆变一般指50~60Hz的逆变电源，中频逆变的频率一般为400Hz到十几KHz；高频逆变电源的频率则一般为十几kHz到MHz。

（2）按照逆变电源的输出相数可以分为单项逆变电源、三项逆变电源和多相逆变电源。

（3）按照逆变电源输出能量的去向，可以分为有源逆变电源和无源逆变电源。

（4）按照逆变电源主电路的形式，可以分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变电源。

当然还有其他的分类方式可以把逆变电源分为不同的种类，这里不再叙述。

采用逆变技术是为了获得不同的稳定或变化形式的电能，具有很多的优点：
○1灵活调节输出电压或电流的幅度和频率，如交流电动机的调速;
○2将直流电转换成交流电或其他形式的直流电，如程控电话交换机；
○3减小用电设备的体积和重量，节省材料。

○4高效节能。

○5动态响应快,控制性能好,电气性能指标好。

○6保护快。

现代电源技术是综合应用了电力电子、电子与电磁技术、自动控制及微处理器技术的一种多学科交叉技术。

随着电子电源的集成化、模块化、智能化的发展，功率集成技
术已经模糊了整机与器件之间的界限。

进入80年代后，现代电源技术随着IGBT、功率MOSFET、IPM、MCT等新元件的出现，谐振变流、软开关、电路拓扑等新理论的支持，功率因数校正、并联均流、有源钳位、微机监控等技术的应用，使现代电源技术逐渐走上高频化。

高频化带来的直接好处就是使电源装置的小型化，并使电源产品进入到了更为广阔的领域。

现代电源技术研究的总趋势是交流电源以PWM为主流，不断提高网侧功率因数，实现功率因数近似为1的电源，并向大功率推进；直流电源以开关方式为主流，扩大输出电压的多路电压控制；进一步提高开关频率和功率密度，提高可靠性，降低电磁干扰和增强抗干扰能力并使电源模块朝着超薄型和微型化发展。

1. 绪论
中频逆变电源，广泛应用于飞机、舰船、雷达、通信、导弹、车辆等领域，其技术要求高，正向着高可靠性、轻量化、智能化模块电源方向发展。

逆变电源控制方法的实现可以采用数字控制，这是实现智能化和高可靠性的前提。

而且可以方便的实现模块化，对于产品的系列化生产具有很好的借鉴。

数字控制系统具有通用性好、抗干扰能力强、控制规律灵活、可实现先进控制算法和便于实时控制等优点。

1.1 数字化逆变电源的发展
传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。

虽然模拟控制技术已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多。

电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点的漂移，导致系统参数的漂移。

模拟方式很难实现逆变电源的并联，所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

近年来随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字信号处理器(digital signal processor，SP)技术的发展，使逆变电源的全数字控制成为现实。

SP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，将输出谐波达到可以接受的水平。

逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点：
(1)减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力。

(2)控制系统的可靠性提高，易于标准化，系统的一致性较好，便于调试、安装等。

(3)有利于大规模逆变电源组成并联运行系统。

从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

(4)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美，输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制。

随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经在逆变控制中占据着主导地位，本文提出了一种基于DSP 控制的方案[1]。

1.2 数字化逆变电源的控制
由于早期的微处理器运算速度有限，逆变电源的核心控制仍然需要模拟电路的参与，随着电机控制专用DSP的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控制技术朝着数字化、智能化方向发展，对于各种控制策略和控制算法的实现成为可能。

常用的控制策略包括PID控制、无差拍控制、重复控制技术、状态反馈控制等等，各种控制方法具有各自特点，有各自的应用范围，有时为了达到较好的性能可能要求使用几种控制方法，本文采用了改进型重复控制，并通过DSP得到了较好的实现[2]。

1.3 本文主要研究内容
本文对交流输入220V，输出交流115V、400HZ的中频电源进行了研制。

本文的主要
内容主要集中在以下几点：
（1）基于双向直流变换器高频逆变技术的主电路的结构，双向的DC/DC生成全波整流的正向的馒头波，极性反转逆变桥完成极性反转，此电路结构简洁、功率双向流动、适应负载能力强，幅值的调制与极性控制独立实现，控制实现更加简单。

（2）控制策略采用改进型重复控制，结合PID控制与重复控制各自的特点，对于电源的一些非线性的负载特别是整流性负载能得到较理想的输出电压波形。

2 直流变换器型高频环节逆变
2.1 SPWM 脉宽调制技术
SPWM 正弦脉宽调制法(Sinusioidal PWM)是调制波为正弦波、载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，由于三角载波的频率通常较高，因而理论上其输出电压波形的谐波频率主要集中在较高的频率段上，所以经过很小的滤波器就可以得到比较理想的正弦波输出电压。

这也是正弦脉宽调制技术得到广泛应用的原因之一。

其工作原理是采用正弦控制信号与高频三角波载波信号相交截，产生正弦脉宽调制信号，再经过逻辑变换、功率放大等环节，得到功率管的驱动信号，驱动功率管开通关断，从而在逆变器的输出端得到正弦调制输出。

这项技术的特点是原理简单，通用住强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多重作用，是一种较好的波形改善方法，它的出现为中小型逆变器的发展起了重要作用。

SPWM 正弦脉宽调制根据每发生一次开关过程中，桥臂输出电压的脉冲极性的变化不同可分为双极性脉宽调制(bipolar PWM)方式和单极性脉宽调制 (unipolar PWM)方式[6]。

（1）单极性调制
通过控制功率开关管的通断，使输出电压在0/C U +或0/C U -即+1/0(-1/0)之间切换，这就是单极性的调制。

用幅值为r U 的参考正弦波Ⅳ，与幅值为频率为正的三角波0U 比较，产生功率开关驱动信号。

单极性正弦脉宽调制原理波形可采取以下几种方式，具体如图2—1所示。

图2-1(a)是用两个极性相反的参考正弦波与双向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。

这是单极性spwm 调制当中的倍频调制方式。

图2-1(b)单极性调制是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，从而得到高频驱动信号。

低频信号指的是控制单极性馒头波倒向的驱动信号。

图2-1(c)是直接用参考正弦波与单向三角形载波交截产生功率开关驱动信号。

对于单极性的调制可根据实际电路采用不同的方法，在本文中，采用是图2-1(b)所示的方法，结合实际的主电路结构使控制更简洁，达到较好的效果。

2.双极性调制
工作在双极性脉宽调制方式下的逆变器的对角功率管同时开通和关断，同一桥臂上的两个开关管互补导通，所有功率管均为调频开关。

每发生一次开关，逆变桥的输出电压为正输入电压或负输入电压，从而输出电压在正负电平之闻切换。

即+1/一1(一1/+1)切换方式，整个输出电压周期内所得到的是两态输出电压波形。

对于BUCK 型逆变器，有单极性和双极性两种调制方式。

单极性调制属于“1”，
“0”、“-l ”三态调制，在一个输出周期内，只有一段区域内的能量从交流侧回馈到直流侧；双极性调制属于“1”、“-l ”两态调制，每个开关周期均有能量从交流侧回馈到直流侧。

因此，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出滤波器。

[3]
（a）
（b）
（c）
图2-1 单极性调制
图2-2 双极性调制
2.2 直流变换器型高频环节逆变
直流变换器型高频环节逆变器是逆变器技术中的新概念，它由直流变换器和极性反转逆变桥级联而成。

直流变换级将直流电压变换成全波整流电压，极性反转逆变桥将其逆变成正弦交流电，其类型由前置直流变换器的类型(BUCK或BUCK，BOOST)决定，因而称为直流变换器型高频环节变换器。

下面将对单向直流变换器和双向直流变换器分别介绍[4]。

2.2.1 单向直流变换器型高频环节逆变
单向直流变换器型高频环节逆变器电路结构及控制系统如图2-3所示。

该电路结构由单向DC/DC变换器、滤波器、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、单向功率流、直流变换级工作在SPWM(输出电压调节范围宽)、极性反转逆变桥功率开关电压应力低且为ZVS、输出滤波器负担减轻、适用于可再生能源的有源逆变以及阻性满载时的无源逆变场合。

A）电路结构
B）控制系统
图2-3单向直流变换器型高频环节逆变器电路结构与控制系统如果将直流变换器用于无源逆变场合，其结果是空载、容性负载、感性负载甚至阻性轻载时输出正弦电压波形严重畸变，仅在阻性满载时输出波形较好，即负载适应能力弱。

图2-4是在不同负载(75
=
cos-
ψ)时，2KVA DC 180V/ACll5V400HZ逆变器的
~
.0
.0
75
输出电压仿真波形。

仿真结果表明：(1)阻性满载时，输出电压质量高，如图2-4（a）所示
i轻载或空载时，输出电压近似为一方波，其原因是空载或轻载时，直流滤波电容2
C没有放电回路或放电时间很大：(3)容性负载时，输出电压在某时间内保持恒定，当直流滤波电容和交流负载电容上的电压相平衡时，均无放电回路，输出电压发生畸变，如图2-4(c)所示：(4)感性负载时，直流滤波电容C和交流负载电感发生谐振，如图2-4(d)所示：因此，该逆变器输出电压波形受负载影响很大，即负载适应能力弱，仅适用于阻性满载场合，不具有普遍适用意义。

（a）阻性满载（b）轻载或空载
（c）额定电容性负载（d）预定感性负载
图2-4 逆变器不同负载时的电压仿真波形
2.2.2 双向直流变换器型高频环节逆变
双向直流变换器型高频环节逆变器如图2-5所示，它由双向DC/DC变换器、滤波电路、极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、直流变换级工作在SPWM(输出电压范围宽)、逆变桥功率开关电压应力低且为ZVS，输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点．适用于无源逆变场合。

[9]
图2-5 双向直流变换器型高频环节逆变器电路结构与控制系统由于双向的直流变换器能够实现能量的双向流动，所以变换器能够将交流负载无功能量或电容上的电荷回馈到输入直流电源侧，从电感处的电流可以看到电流为负时，负载向电源反馈能量，从而保证输出电压的正弦性，使电压在任何负载时都能跟踪参考电压信号的变化，从而获得理想的输出电压波形。

逆变器在不同负载时的仿真波形如图2-6所示
（a）额定阻性负载（b）空载
（c）额定容性负载（e）额定感性负载
图2-6 逆变器不同负载时的输出电压，电感电流仿真波形双向DC/DC的二个开关管均为恒频SPWM控制，二者交替工作。

二个开关管的
控制主要是控制有功功率向负载的传递以及无功功率的反馈。

双向直流变换器型高频环节逆变器的电路结构，由双向直流变换器和极性反转逆交桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流，输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点，有效地克服了单向直流变换器型高频环节逆变器的固有缺陷。

本文中逆变电源采用的这种结构，通过合理的控制算法能够达到预期的目的。

到预期的目的。

[11]
2.3 本章小结
本章主要介绍了直流变换器高频环节逆变这种电路结构，直流变换器由双向直流变换器和极性反转逆变桥构成，具有电路结构简洁、双向功率流、输出电压波形质量高、负载适应能力强等特点。

这种电路结构即BUCK逆变器应用在400Hz逆变电源中。

具有负载适应能力强，效率高等特点。

并且采用单极性的SPWM调制，单极性调制逆变器将比双极性调制逆变器有更优良的输出频谱特性、更小的输出滤波器。

这种主电路结构也使功率开关管的控制更加简单，简化了控制电路设计及控制方法的实现，为逆变电源提高整体性能打下基础。

3 直流/交流变换器
直流/交流电功率变换器称为逆变。

本章论述直流/交流电功率变换的基本原理，介绍方波运行模式下电压型和电流型逆变器的特性，输出电压大小和波形的PWM 控制基本原理，三相逆变器的空间矢量PWM 控制，多电平逆变器、高压大容量逆变器的复合结构以及逆变器的基本应用[7]。

3.1 逆变器的类型和性能指标
直流/交流电功率变换是通过逆变器实现的。

逆变器的输入是直流电，输出为交流电。

交流输出电压基波频率和幅值都应能调节控制，输出电压中除基波成分外，还可能含有一定频率和幅值的谐波。

3.1.1 逆变器的类型
逆变器由主电路和控制系统两部分组成。

逆变器应用广泛，类型很多。

其基本类型有：
（1）依据直流电源的类型，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

电压型逆变电路的输入为直流电压源，逆变器讲输入的直流电压逆变输出交流电压，因此也称它为电压源型逆变器VSI ；电流型逆变电路的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流源，逆变器将输入的直流电流逆变为交流电流输出，因此也称它为电流源型逆变器CSI 。

（2）依据输出交流电压的性质，可分为恒频恒压正弦波逆变器和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉波电压（电流）逆变器。

（3）依据逆变电路结构的不同，可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。

（4）依据开关器件及其关断（换流）方式的不同，可分为采用全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器两类。

晶闸管逆变器也可利用负载侧交流电源电压换流，负载反电动势换流或负载谐振换流[5]。

3.2 电压型单相方波逆变电路工作原理
3.2.1 电压型单相全桥逆变电路
改变开关管的门极驱动信号的频率，输出交流电压的频率f 也随之改变。

为保证电路正常工作，1T 和2T 两个开关管不应同时处于通态，4T 、3T 两管不应同时处于通态，否则将出现直流侧短路。

实际应用中为避免上、下开关管直通，每个开关管的开通信号应略为滞后于另一开关管的关断信号，即“先断后通”。

同一桥臂上、下两管1T 、2T 或3T 、4T 关断信号与开通信号之间的间隔时间称为死区时间，在死区时间中，1T 、2T 或3T 、4T 均无信号。

3.3 电压型单相逆变器电压和波形控制
上节中各单相逆变电路输出电压均为 180宽的方波交流电压。

输出电压中基波电压数值仅由输入电压D V 唯一确定，而且输出电压中除基7波外含有大量的谐波，对其中的3、5、7等低阶次谐波，若采用LC 滤波器去衰减，则必须有LC 数值很大的滤波器，因为
要滤除n 次谐波必须C n L n ωω/1>>，即，ωn LC /1>>，谐波阶次n 低，要求L 、C 的谐振频率0ω低，要求L 、C 数值很大。

3.4 三相逆变电路工作原理
三相交流负载需要三相逆变器，三相逆变器有两种电路结构，其一为由三个单相逆变器组成一个三相逆变器。

每个单相逆变器可以是半桥式也可以是全桥式电路。

三个单相逆变器的开关管驱动信号之间互差︒120，三相输出电压A v 、B v 、C v 大小相等，相差︒120，构成一个对称的三相交流电源，通常变压器的二次绕组都接成星型以便消除负载端的三倍数的谐波。

三相逆变器的另一种电路结构.
3.5 三相逆变器输出电压和波形的SPWM 控制
对于三相逆变器也可以采用本章第三节中单相逆变器的多脉波PWM 控制或SPWM 控制方式。

在输出电压的每一个周期中，各开关器件通、断转换多次，实现即可调节、控制输出电压的大小、又可消除低次谐波改善输出电压波形。

三相电压型逆变电路任何时刻一个桥臂只有一个开关管被驱动导通，上、下开关管驱动信号互补。

因此三相桥电压型逆变电路这6个开关管同时被驱动导通。

当负载为星型联结时如果负载中点为N ，则当1T 、5T 、6T 同时导通时，A 、C 两点接电源正端，B 点接电源负载各相阻抗相等，则D D AN V R R R V V 3
1121=⨯+=
，当1T 、5T 、3T 同时导通时，A 、B 、C 三点都连在一起，故0=AN
V ,类似地分析可以画出负载星形联结时负载相电压AN V 的波形。

3.6三相逆变器电压空间矢量PWM 控制
基于传统空间矢量脉宽调制(SPWM)控制的三相逆变器能够获得快速的动态响应,但实现复杂,需要高速微处理器。

本文提出了一种新的简单SPWM 控制方法。

在理论分析的基础上得出了逆变器实现SPWM 调制的占空比计算公式。

该方法具有传统SPWM 快速动态响应的优点,且实现简单[13]。