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3.5 逆变器的选择与控制
3.5.1 逆变器的选择
逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路（VSTI）和电流源逆变电路（CSTI）。电流型逆变电路主要存在两个缺陷：一是输出电流中含有较大的纹波，用滤波器消除会影响高频波形的产生；二是不便于调试和稳定。另外还有软开关逆变器以及谐振式逆变器等，但这类逆变器主电路及控制过于复杂。因此，本设计采用的是三相电压型逆变器，其逆变电路的结构如图3-4所示。
+V1VD1V3VD3V5VD5CV4VD4电网-V6VD6V4VD2
图3-4 三相电压型逆变器
功率器件的驱动电路作为主电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整体性能影响很大。驱动电路的性能，影响着功率器件的开关状态、开关时间、开关损耗，对系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。
驱动电路的作用是将DSP控制芯片输出的PWM控制脉冲放大到足以驱动功率开关管，所以从原理上来讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率开关管的开关特性与驱动电路的性能密切相关，采用不同的驱动电路来驱动相同的功率开关器件，将得到不同的开关特性。性能优良的驱动电路能改善功率开关管的开关特性，从而减小开关损耗，提高整个系统的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响逆变器的性能。
在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点。
本逆变电源控制系统选用美国国际整流公司(International Rectifier，简称IR)生产的IR2136作为驱动电路的驱动芯片，它兼有光藕隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，适合中小功率变换装置的驱动器件。
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图3-5 IR2136引脚图
IR2136三相逆变器驱动器集成电路集成了6个MOSFET或IGBT高电压栅极驱动器，能兼容CMOS输出或LSTTL输出，提供低至3.3V的逻辑，其可输出的最大正向峰值驱动电流为120mA，而反向峰值驱动电流为250mA。此外，此集成电路支持坚固耐用的设计，提供高达50V/ns的dv/dt耐量和较低的di/dt驱动电流，防止噪音干扰。它的性能超过光藕或变压器，支持高频工作，死区时间低至250ns，一般接通/关断时间为400ns。同时，它的内部集成有过流、欠压、防直通等保护功能和EN使能端，使用户能够可靠地保护被驱动的功率管，外部的RC网络经过延时能够自动清除过流故障，且当故障发生时，可通过FAULT端口声光报警。
正常工作时，输入IR2136的6路触发脉冲经过输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号LIN 1- LIN3经过输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号HIN1-HIN3先经过集成于IR2136内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电压变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经过对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲欠电压与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。当电路发生过流，即由电阻网络组成的电流检测电路检测到的信号高于0.5V时，则IR2136内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2136的输出全为低电平，从而关闭功率开关管，达到保护功率管的目的；同时IR2136的FAULT脚变为低电平，该信号也通过光藕隔离后送往DSP。若IR2136发生工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作
当IR2136驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当用户的脉冲输出环节发生故障时，逆变器同一桥臂上的2个功率开关管的输入信号同时为高电平，则IR2136输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生，使功率开关管得到有效保护。
3.5.2 逆变器的控制方法
随着电力电子器件的迅速发展，变频技术得到了广泛的应用，与此相对应的是各行各业对于电能质量越来越高的要求，这不仅要求逆变器有稳定的输出电压和长时间工作的可靠性能，而且要求逆变器输出电压的正弦度好，动态性能佳、反应迅速。在近些年，逆变
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器的控制理论得到了不断发展，由最早的开环控制发展到输出电压瞬时反馈控制，由模拟控制逐渐发展到全数字控制。近年来，随着大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑器件FPGA及数字信号处理器DSP技术的发展，逐渐由模拟控制转向数字控制，即向数字化方向发展。实现数字化可带来以下好处：
（1）可以采用更先进、更复杂的控制方法。输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制；
（2）控制电路的元器件数量明显减少，从而缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力；
（3）输出控制采用软件处理，设计和制造灵活。一旦控制方法改变，只需要修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计周期。
逆变器的全数字控制是当今研究的一个热点，出现了多种逆变器离散化的控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络控制等。
再现如今的逆变器控制中，最常用的就是数字PID控制方法。PID调节是Proportional(比例)、Integral(比例)、Differential(微分)三者的缩写，具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制，其控制的原理图如图3-6所示。
图3-6 逆变器的数字PID控制
与其他控制方法相比，数字PID控制方法具有如下几方面的优势：
（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果；
（2）设计过程不过分依赖系统参数，控制的适应性好，有较强鲁棒性； （3）算法简单明了，已经有完整的设计和参数调整方法。
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但是数字PID控制也有其一些不足，例如：系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差；采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成PID调节器的设计困难，稳定域减小。但随着高速A/D和高速信号处理器DSP的出现，PID控制又将会有进一步的发展。
3.6 DSP控制系统
传统的产生SPWM波形的方法能够用于逆变器中实现幅值和频率可调的正弦波电压。当负载为线性时效果还好，但它不是对输出电压进行逐点控制的。因此当该逆变器带非线性负载时，电压将发生畸变，谐波增加，严重影响负载的正常工作。这是就出现了数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）。数字信号处理就是对信号的数字处理，包括对信号进行采集、变换、滤波、估值、增压、压缩、识别等。图3-7是数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号转换为数字信号，经数字信号处理后，在转换成模拟信号输出。
X(t)抗混叠滤波器A/DX(n)数字信号处理器Y(n)D/A低通滤波器Y(t)
图3-7 数字信号处理系统简化框图
数字信号处理技术之所以可以发展的这样迅速，应用的如此广泛，是与它的突出的优良性能分不开的：
1. 精度高；
2. 灵活性强； 3. 可靠性好； 4. 时分复用。
DSP系统的设计流程如图3-8：
确定系统性能指标选择DSP芯片软件编程软件调试硬件设计硬件调试系统集成系统调试图3-8 DSP设计流程图
DSP是一款高性能的数字处理芯片，它不仅运算速度快，还有专门用于实现PWM的片内外设。运用DSP我们可以方便的实现频率很高的SPWM控制信号，从而减小滤波器的尺寸，而且值相同DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压的控制。
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3.7 abc-dq0坐标变换
abc坐标下的逆变单元数学模型具有物理意义清晰、直观等优点。但在这种数学模型中，逆变交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统的设计。为此可以通过坐标变换将三相静止abc坐标系转换成和交流电网基波频率同步旋转的dq0坐标系，该变换通常称为Park变换。经过坐标变换，可以简化控制系统的设计。
在dq0坐标下的数学模型建立过程中，一般采用两种坐标变换方法：1、等量坐标变换；2、等功率正交坐标变换。等量坐标变换是指abc坐标系中的通用矢量与dq0坐标下的通用矢量相等的变换。三相物理量可以用一个空间旋转矢量在坐标轴上的投影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量就叫做通用矢量。所谓等功率坐标变换是指abc坐标系中的功率量与dq0坐标系中的功率量相等的变换。本文下面的分析采用的是等量变换。
设Park变换矩阵P为：
??sin?tsin(?t?120?)sin(?t?120?)??2? P?cos?tcos(?t?120?)cos(?t?120?)? （3-1）
?3?111??22?2?对公式（3-1）式进行Park变换可以得到交流侧dq0坐标下的电压回路方程：
s??isd??co??isd??usd??0d??MUC???R?i??1?u????i?sin? sq?L?sq?L?sq??dt??2L??????is0???0???is0???us0????0??0??isd??i? （3-2）00? ??sq?00????is0??对式（3-2）进行Park变换可以得到直流侧dq0坐标下的电压动态方程： ic??CdUc?3M???co?sdt4?3Msin?4?isd?3???isq? （3-3） ?2????is0??引入状态变量X，且X?isd模型的状态表达式：
?isqiso?.TUC，可以得到dq0坐标下占空比描述的数学
? X?AX?BE （3-4） 其中A、B、C分别是：
R???L???? A???0??3Mco?s??4CM?co?s?2L?Msin??2L? （3-5）
?0??0????RL00?RL32C03Mco?s4C