专利名称：正弦波电流幅值调制逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种正弦波电流幅值调制(SCAM)逆变器。
背景技术：
电源变换器主要包括AC/DC变换器，也称为整流器，它将交流电变换成直流电；DC/DC变换器，也称为直流变压器，它改变直流电压的幅值；DC/AC变换器，也称为逆变器或变频器，它将直流电变换成频率可变的交流电；AC/AC变换器，也称为交流变频器，它将一种频率的交流电变换成频率可变的交流电。
DC/AC变换器主要用于①电源的频率变换，组成中频、高频电源，用于金属冶炼、金属热处理、金属焊接；②变频器，用于变频调速系统；③开关电源，最广泛应用的一种直流电源。本发明介绍的正弦波电流幅值调制(SCAM)逆变器主要用于①，也可推广应用到③。
DC/AC变换器主要有串联谐振型(SLR)、并联谐振型(PLR)、PWM硬开关型、零电压或零电流(ZVS、ZCS)变换型。软开关变换器采用谐振变换技术，其主要特点是开关损耗小、工作频率高、EMI小、容易启动、dv/dt和di/dt小，所以得到广泛的应用。但对于串联谐振变换，如果预期输出的电压和电流均为正弦波，则负载变压器的耐受电压要求高；而对于并联谐振变换，输出滤波困难且不易于起振。硬开关PWM变换技术的优点是控制容易、成本低，但存在开关损耗大、EMI大、效率低、工作频率不高、体积大等缺点。虽然有关于PWM的各种优化，但是相对于软开关技术而言，其开关损耗还是比较大。
DC/AC逆变器的功率调节，主要有两种方式，第一种是采用晶闸管相控整流或直流斩波来调节逆变器的输入直流电压。第二种由变换器本身来实现功率调节，主要有采用调频控制实现功率调节的PFM控制，采用驱动脉冲移相实现功率调节的移相控制，采用驱动脉冲密度调节实现功率调节的PDM控制等。
晶闸管相控整流(PCR)调压方式的优点是电路简单，技术成熟；缺点是在轻载时功率因数很低，波形质量差，而且EMI很大，对电网的干扰很大；二极管不可控整流加直流斩波(Buck变换器)调压可提高输入功率因数，改善输入波形，但直流斩波工作在硬开关状态，EMI较大；虽然已有直流斩波软开关电路(如ZCT、ZVZCS)的研究，但电路复杂，大容量应用还不成熟；调节DC/AC变换器的开关频率实现功率调节方式是目前普遍采用的一种功率调节方式，其优点是电路和控制均简单，缺点是逆变器的负载为感性时，输出功率因数很低；ZVT-PWM移相全桥变换技术的主要特点是开关损耗小，工作频率较高，控制简单，恒频运行、器件应力小，但是存在内部环流使导通损耗增大，难以适用于轻负载情况；脉冲密度调制PDM(Pulse-Density modulated)DC/AC逆变电路利用串联谐振负载的储能，对逆变器的开关进行间断控制，调节间断周期的大小达到功率调节的目的，实现了正弦波电流输出；主要缺点是轻载时，功率器件关断时间延长，逆变器输出电流波形峰值波动很大，出现电流断续(DCM)模式。
发明内容
本发明的目的在于设计一种正弦波电流幅值调制逆变器，对变换器的开关周期进行均匀时序调制，逆变器承担变频和功率调节两个任务，采用对输出电流的幅值进行调制的方法来实现输出功率的调节，即使在轻载的情况下，也能使逆变器输出电流波形峰值波动小，保持输出电流连续。
按照本发明所提供的设计方案，由开关管VT1、VT2、VT3、VT4连接成三相桥式不可控整流和单相全桥逆变电路，在每个开关管上分别并联连接二极管，在开关管VT1与VT2间的导线及VT3、VT4间的导线间依次连接电容C0、电阻R0及电感L0，开关管VT1、VT2为主开关，根据输出功率大小采用均匀密度控制，当开关管VT1、VT2交替关断时，开关管VT3、VT4交替工作，为负载回路提供续流。逆变器的主开关管和控制电路之间是通过驱动电路进行联系的，控制电路的输出VT1、VT2、VT3、VT4分别控制逆变器四个开关管VT1、VT2、VT3、VT4的栅极。
中央控制器IC5(型号TMS320LF240 PGE)的A/D输入0和1即第110和112脚分别与电位器P1与P2相连，实现输出功率的设定与输出正弦电流幅值的反馈检测；中央控制器IC5的PWM7-10即第55，59，62，65脚分别与IC2A的A1-4即第2，4，6，8脚相连，实现控制脉冲的输出，经由缓冲器IC2(型号SN74HC244)后送入逆变器的驱动电路，经光耦隔离后控制主开关管的开通与关断；故障检测信号中的交流电流过载信号Iac_over，直流电流过载信号Idc_over，散热器温度过高信号T_over，冷却水不正常信号W_lack，系统停止信号Stop经反向缓冲器IC3A、IC3B、IC3C、IC3E、IC3F，(IC3的型号为74LS14)，并由与非门IC4(型号74LS14)，再由反向器IC3D产生封锁信号，输出脉冲被封锁；中央控制器IC5的数据总线D0-15分别与数据寄存器IC6(型号CY7C1021V33-12ZC)的数据总线I/O1-16相连，中央控制器IC5的地址总线A0-15与数据寄存器IC6的地址总线A0-15相连，而控制信号的中央控制器IC5的数据选择信号DS、程序选择信号PS、写使能信号WE分别与数据寄存器IC6的片选端OE、读选择端CE、写允许端WE相连，数据寄存器IC6是RAM，实现正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制算法的脉冲分布并确定其位置。
本中断程序由中央控制器IC5及数据寄存器IC6产生，如程序所述，先进行变量定义，然后开始AD转换，获得输出正弦电流的隔值大小信号，然后由定时器Timer 3产生驱动定时中断，其数值由控制算法DPLL产生的控制值确定。Pset为正弦波电流幅值调制逆变器SCAM的输出幅值控制值，T4flag为功率设定值(Poweset)是否大于50％的标志位，当设定值大于50％时，T4flag＝1；否则T4flag＝0。T4为ADC的定时器；T3中断程序流程图中，Count为每个单位控制周期中的脉冲的状态标志，有0，1，2三个状态；L为每个单位控制周期中的脉冲的编号，有0，1，2，…，15等16个编号；高电平脉冲数pt为与功率设定值对应的单位控制周期内应为高电平的脉冲数；T为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的累计编号；S_on为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的位置编号，S_off为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的低电平脉冲的位置编号。)开关管VT1、VT2的控制脉冲由n个1/2i(i＝1，2，…，n)计数器产生的脉冲相加而成；设Yi(i＝0，1，…，m)为输出电流的标幺值，其值和逆变器上桥臂的两个开关管的开关次数成正比，开关管由n个不同周期的计数器控制，其周期T＝2i，i＝1，2，…，n；n个计数器分别为Xi(i＝1，2，…，n)，A为输出电流标幺值与n个不同周期计数器组合控制的关联矩阵，则有Y＝AX其中Y＝(y1y2… ym)X＝(x1x2… xn)对应的输出功率标幺值为A=a11a12···a1na21a22···a2n············am1am2···amn]]>其中P为输出功率标幺值，P＝YYTR R为负载回路等效电阻。
SCAM(Sinusoidal Current Amplitude Modulation)为正弦波电流幅值调制变换器，其主要特点是采用谐振负载，谐振频率和变换器开关频率保持同步，并控制开关管在零电流、零电压下导通和关断；实现ZCS(Zero Current Switching，即零电流开关，在开关过程中，通过功率开关管的电流接近于零)和ZVS(Zero Voltage Switching，即零电压开关)在开关过程中，通过功率开关管的电压接近于零；逆变器采用单相桥式，控制其中一个开关管的驱动脉冲的个数及其对应位置而实现输出正弦波电流幅值的调制，达到控制输出功率的目的。本发明的优点是电路简单、高效节能，功率稳定，工作可靠，易于控制。
图1是正弦波电流幅值调制逆变器SCAM主电路。
图2为逆变器的工作原理图。
图3是正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制框图。
图4是开关管VT1按正弦波电流幅值调制逆变器规律调节的驱动信号组合图。
图5是以DSP为核心的硬件控制电路。
图6是正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制程序。
具体实施例方式
本发明的主要内容有正弦波电流幅值调制逆变器SCAM，及其控制电路与幅值调制控制脉冲的产生算法。
SCAM正弦波电流幅值调制功率控制逆变器主电路如图1。电路采用三相桥式不可控整流和单相全桥逆变电路，VT1、VT2为主开关，根据输出功率大小采用正弦波电流幅值调制控制。当VT1、VT2交替关断时，VT3、VT4交替工作，为负载回路提供续流。
SCAM正弦波电流幅值调制功率控制逆变器功率控制方式是以逆变器工作在软开关状态、负载电流输出平稳为目标，自动确定开关管的驱动脉冲的分布及其对应位置。
开关管VT1、VT2的控制脉冲是由n个1/2i(i＝1，2，…，n)计数器产生的脉冲相加而成，采用本控制算法，达到输出电流的幅值可调。
设Yi(i＝0，1，…，m)为输出电流的标幺值，其值和逆变器上桥臂的两个开关管的开关次数成正比，开关管由n个不同周期的计数器控制，其周期T＝2i，i＝1，2，…，n，n个计数器分别为Xi(i＝1，2，…，n)，A为输出电流标幺值与n个不同周期计数器组合控制的关联矩阵，则有 Y＝AXY＝(y1y2… ym)X＝(x1x2… xn)其中A=a11a12···a1na21a22···a2n············am1am2···amn]]>对应的输出功率标幺值为P＝YYTR其中P为输出功率标幺值，R为负载回路等效电阻。如果取m＝32，n＝5，X5为1/25，A矩阵为A=00001000100001100100001010011000011010000100101010010110110001101011100111110000100011001010011101001010110110101111100011001110101101111100111011111011111]]>由上述矩阵计算得到的输出电流标幺值为
y1＝1/32y2＝1/16y3＝1/16+1/32y4＝1/8y5＝1/8+1/32y6＝1/8+1/16y7＝1/8+1/16+1/32y8＝1/4y9＝1/4+1/32y10＝1/4+1/16y11＝1/4+1/16+1/32y12＝1/4+1/8y13＝1/4+1/8+1/32y14＝1/4+1/8+1/16y15＝1/4+1/8+1/16+1/32y16＝1/2y17＝1/2+1/32y18＝1/2+1/16y19＝1/2+1/16+1/32y20＝1/2+1/8y21＝1/2+1/8+1/32y22＝1/2+1/8+1/16y23＝1/2+1/8+1/16+1/32y24＝1/2+1/4y25＝1/2+1/4+1/32y26＝1/2+1/4+1/16y27＝1/2+1/4+1/16+1/32y28＝1/2+1/4+1/8y29＝1/2+1/4+1/8+1/32y30＝1/2+1/4+1/8+1/16y31＝1/2+1/4+1/8+1/16+1/32这里5个计数器Xi(i＝1，2，…，5)分别为2分频计数器、4分频计数器、8分频计数器、16分频计数器和32分频计数器，5个计数器的控制按照矩阵A由功率设定编码电路实现。
第一种情况如图2中的a、b所示VT1按正弦波电流幅值调制逆变器SCAM规律工作，VT3、VT4交替工作，VT2不工作。
工作模态1，VT1、VT4工作，C0、L0储能，逆变器的输出功率为感应线圈等效电阻R0上的有功功率，其等效电路如图2a。
工作模态2，VT1、VT4截止，VT3、VD4工作，C0和L0交换能量，电流i的回路为C0-VT3-VD4-L0-R0，其等效电路如图2b。
工作模态3，VT1、VT3截止，VT4、VD3工作，C0和L0交换能量，电流i的回路为C0-R0-L0-VT4-VD3，其等效电路如图2c。
工作模态4，VT1、VT4截止，VT3、VD4工作，C0和L交换能量，电流i的回路为C0-VT3-VD4-L0-R0，其等效电路如图2d。
第二种情况如图2中的c、d所示VT1按正弦波电流幅值调制逆变器SCAM规律工作，VT2、VT3、VT4交替工作，其工作过程类似于第一种情况。
采用数字信号处理器DSP为核心的控制电路，可以实现对任意要求的功率控制精度进行脉冲分配。
图3中，负载谐振回路电流经电流互感器采样后送频率跟踪电路，确定跟踪相位，产生PWM驱动信号，根据功率设定大小，确定驱动脉冲分配，最后经驱动电路进行功率放大，驱动逆变器4个开关管按正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制规律工作。
图4中用32分频计数器控制VT2的驱动，2分频计数器、4分频计数器、8分频计数器和16分频计数器组合控制VT1的驱动，当逆变器工作在50％功率以下时，VT2不工作，VT1按正弦波电流幅值调制逆变器SCAM规律调节，当逆变器工作在50％功率以上时，VT2工作，VT1按正弦波电流幅值调制逆变器SCAM规律调节，这样，只要控制VT1一个开关管，就可实现逆变器的输出功率控制。
图5中，DSP采用TMS320LF2407 PGE，另加存储器CY7C1021V33-12ZC扩展，功率给定通过P1电位器送DSP的AD转换输入端ADCIN1，采样电流经运算放大器IC1A和IC1B组成的精密整流电路变换成直流电压送DSP的AD转换输入端ADCIN0，由DSP进行数值运算后，由DSP的PWM输出端PWM7、PWM8、PWM9、PWM10输出4路驱动信号，经SN74HC244接口电路送驱动电路去驱动逆变器的四个开关管。
图6中PSM脉冲分配中断程序流程图说明1)由定时器Timer3产生驱动定时中断，其数值由DPLL控制算法产生的控制值确定。而G1-G4的每一个时刻的驱动电平则由本算法实现；2)Pset为正弦波电流幅值调制逆变器SCAM的输出幅值控制值，T4flag为功率设定值(Poweset)是否大于50％的标志位，当设定值大于50％时，T4FLAG＝1；否则T4flag＝0。T4为ADC的定时器；3)T3中断程序流程图中，Count为每个单位控制周期中的脉冲的状态标志，有0，1，2三个状态；L为每个单位控制周期中的脉冲的编号，有0，1，2，…，15等16个编号；Pt为与功率设定值对应的单位控制周期内应为高电平的脉冲数；T为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的累计编号；S_on为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的位置编号，S_off为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的低电平脉冲的位置编号。
PSM脉冲分配中断程序说明如下
1、以上进行变量定义；2、启动AD转换；3、在中断程序中，每执行一次，脉冲编号L自动计数一个，直到达到最大的位置编号后自动复位；4、由高电平脉冲累计编号T可知某次中断执行中，如果是S_on有效，则使状态标志Count为状态0；如果是S_off有效，则使状态标志Count为状态1；如果是S_on和S_off都无效，则使状态标志Count为状态2；5、在输出相应的状态信息后，中断退出，返回主程序。
取控制周期TM为K个小周期Tm=1ω,]]>设电流控制精度为q，则应满足1K≤q,]]>即K≥1q,]]>在这K个脉冲中选择合适的位置取x个脉冲，就可以实现其功率控制。
设pset为功率控制的设定标么值，其值为0≤pset≤1，在控制周期内，当对应开关管需要脉冲输出时为1，关闭脉冲输出时为0。
对于图4-3中的主开关T1的脉冲输出控制可按下式进行T1=0(pset<50)T1=1(pset≥50)]]>而对于主开关T2的脉冲输出，采用分段控制，由于大于50％的脉冲分布与小于50％正好是互补的关系，如输出为 时，可将输出为 的第4个脉冲封锁，而其他的脉冲全部输出。由DSP实现时，可设两个标志位S_ON和S_OFF，其分布如下式S_ON=1+tpsetS_OFF=1+t1-pset]]>式中，t为脉冲计数器的值，t∈
。
当T1＝0时，采用S_ON标志发出T2的控制脉冲，而当T1＝1时，采用S_OFF标志封锁T2的控制脉冲。正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制程序如图6。
权利要求
1.正弦波电流幅值调制逆变器，其特征是由开关管VT1、VT2、VT3、VT4连接成三相桥式不可控整流和单相全桥逆变电路，在每个开关管上分别并联连接二极管，在开关管VT1与VT2间的导线及VT3、VT4间的导线间依次连接电容C0、电阻R0及电感L0，开关管VT1、VT2为主开关，根据输出功率大小采用均匀密度控制，当开关管VT1、VT2交替关断时，开关管VT3、VT4交替工作，为负载回路提供续流；逆变器的主开关管和控制电路之间通过驱动电路进行联系，控制电路的输出VT1、VT2、VT3、VT4分别控制逆变器四个开关管VT1、VT2、VT3、VT4的驱动电路输入信号。
2.根据权利要求1所述的正弦波电流幅值调制逆变器，其特征是在控制电路中，中央控制器IC5的第110和112脚分别与电位器P1与P2相连，实现输出功率的设定与输出正弦电流幅值的反馈检测；中央控制器IC5的第55、59、62、65脚分别与集成电路IC2A的第2、4、6、8脚相连，实现控制脉冲的输出，经由缓冲器IC2后送入逆变器的驱动电路，经光耦隔离后控制主开关管的开通与关断；故障检测信号中的交流电流过载信号Iac_over，直流电流过载信号Idc_over，散热器温度过高信号T_over，冷却水不正常信号W_lack，系统停止信号Stop经反向缓冲器IC3A、IC3B、IC3C、IC3E、IC3F，并由与非门IC4，再由反向器IC3D产生封锁信号，输出脉冲被封锁；中央控制器IC5的数据总线D0-15分别与数据寄存器IC6的数据总线I/O1-16相连，中央控制器IC5的地址总线A0-15与数据寄存器IC6的地址总线A0-15相连，而中央控制器IC5的数据选择信号DS、程序选择信号PS、写使能信号WE分别与数据存储器IC6的片选端OE、读选择端CE、写允许端WE相连，实现正弦波电流幅值调制逆变器SCAM控制算法的脉冲分布并确定其位置。
3.根据权利要求1所述的正弦波电流幅值调制逆变器，其特征是控制电路的中断程序由中央控制器IC5及数据寄存器IC6产生，在中断程序中，先进行了变量定义，再开始AD转换，获得输出正弦电流的幅值大小信号，然后由定时器Timer3产生驱动定时中断，其数值由控制算法DPLL产生的控制值确定；中断程序中的Pset为正弦波电流幅值调制逆变器SCAM的输出控制值，定时器T4的标志T4flag为功率设定值Poweset是否大于50％的标志位，当设定值大于50％时，T4flag＝1，否则T4flag＝0；定时器T4为(给出名称)ADC的定时器；定时器T3的脉冲输出状态标志Count为每个单位控制周期中的脉冲的状态标志，有0，1，2三个状态；L为每个单位控制周期中的脉冲的编号，有0，1，2，…，15等16个编号；高电平脉冲数Pt为与功率设定值对应的单位控制周期内应为高电平的脉冲数；高电平脉冲累计编号T为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的累计编号；S_on为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的高电平脉冲的位置编号，S_off为对应于高电平脉冲数pt的单位周期内的低电平脉冲的位置编号。
4.根据权利要求1所述的正弦波电流幅值调制逆变器，其特征是开关管VT1、VT2的控制脉冲由n个1/2i计数器产生的脉冲相加而成，其中i＝1，2，…，n；设Yi(i＝0，1，…，m)为输出电流的标幺值，其值和逆变器上桥臂的两个开关管的开关次数成正比，开关管由n个不同周期的计数器控制，其周期T＝2i，i＝1，2，…，n；n个计数器分别为Xi(i＝1，2，…，n)，A为输出电流标幺值与n个不同周期计数器组合控制的关联矩阵，则有Y＝AX其中Y＝(y1y2…ym)X＝(x1x2…xn)对应的输出功率标幺值为A=a11a12···a1na21a22···a2n············am1am2···amn]]>其中P为输出功率标幺值，P＝YYTR R为负载回路等效电阻。
全文摘要
本发明提出一种SCAM正弦波电流幅值调制逆变器，用于中频、高频逆变电源和开关电源等电源变换。这种逆变器由开关管VT1、VT2、VT3、VT4连接成三相桥式不可控整流和单相全桥逆变电路，在每个开关管上分别并联连接二极管，在开关管VT1与VT2间的导线及VT3、VT4间的导线间依次连接电容C
文档编号H02M7/505GK1773831SQ20051009519
公开日2006年5月17日 申请日期2005年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者沈锦飞, 惠晶, 颜文旭, 吴雷 申请人:江南大学