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[经验] 基于XE164的三电平逆变器调制算法的实现

2018-12-6 09:58:41  392 英飞凌 PWM 单片机
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摘要:本文提出了一种通过英飞凌XE164单片机实现中点电压钳位三电平单相全桥拓扑PWM调制的方法。利用XE164单片机中的CCU6捕获比较单元,进行载波和调制波的比较,从而实现PWM调制,输出三电平电路中各个开关管所需的控制波形。

关键词: XE164单片机  三电平  PWM调制

一.电路拓扑以及调制方式
1.电路拓扑

图 1  三电平逆变器电路拓扑

图1便是三电平逆变器电路拓扑。逆变器采用中点电压钳位三电平单相全桥拓扑,采用每个桥臂载波错相180度调制,输出的等效开关频率是器件开关频率的4倍,大大减少了滤波电感的体积,且开关器件承受一半的直流电压,开关损耗得到有效的减少。
只需经过某种调制方式使左半桥臂四个管子的门极控制信号如图2所示,便能实现AZ之间输出有三种电平值的波形。注意,S1与S3的控制波形互补,S2与S4的控制波形互补。
进一步,用相同的规律使右半桥臂的输出一个类似的三电平波形,但是令其与左半桥臂的输出波形之间相差一个相角。这样两者相减之后,便可以使总的输出为含有五个电平值、类似正弦波形状的波形,这也就是预期的开环输出。如图3所示。

                                        图 2  左半桥臂输出波形

                                               图 3  最后的输出波形   
2.调制方式
(1)左半桥臂中开关管S1、S2分别用图4中的三角波作为载波,两者在Y轴方向有一个大小为单倍峰峰值的位移差。与正弦载波进行调制,即得图三中的Vg1与Vg2波形,然后只需令Vg3与Vg1互补,Vg4与Vg2互补。
(2)右半桥臂中开关管S5、S6分别用图5中的三角波作为载波,且注意,两个桥臂的载波相位相差180度。
  
                                   图 4  左桥臂的调制过程
         
                           图 5  右桥臂的调制过程                     
另外,经过查阅资料,之前有一些文献上是使用CPLD和FPGA来实现这一调制过程的,在这里,我们要使用英飞凌公司提供的XE164F单片机来实现。

二.所用的XE164外设单元
    主要使用本款英飞凌单片机的捕获比较单元CCU6来实现三电平电路的PWM控制波形的生成。
    本款英飞凌单片机一共带有三个CCU6单元,分别是CCU6x(x=0,1,2),每个CCU6单元由带有三路捕获/比较通道的定时器 T12模块和带有一路比较通道的定时器 T13模块组成。
特别要提到,定时器 T12是产生三相 PWM信号的主要单元。每个捕获比较单元内的T12定时器模块为三路捕获比较通道提供时钟,分别称为CC6x(x=0,1,2),而每个通道又有两路独立的可设置的输出。16位计数器通过比较器和3路通道寄存器相连,当计数器的值和某个通道寄存器的值匹配时,输出匹配信号。它还具有16位精度,带有死区事件控制(以避免功率器件短路),支持中心对称PWM生成。以上特性适合于本方案需要的PWM调制策略。

三.软件实现
   1.总体思路
在原理阐述部分,我们是将三角波与正弦波进行比较,从而调制出PWM波控制信号。在软件实现上,我们是用T12定时器的计数寄存器的值代表三角波,用比较寄存器的值代表正弦波,当两者匹配时,比较捕获单元的输出就会自动发生翻转,从而实现了PWM波调制。
我们在本控制方案中,用到了两个捕获比较单元CCU60和CCU61,并且使用了每一个捕获比较单元中的CC60和CC61通道,每个通道又带两路输出。总共八路输出,正好对应于拓扑中的八个开关管的控制信号。
   2.具体实现
首先建立一个400个点的正弦表,然后按照以下的次序进行比较:
CCU60单元的CC60通道的计数值与正弦表比较,然后将它的两路输出设为互补,就得到了1、3管的控制信号。同样的,CCU60单元的CC61通道的计数值与正弦表比较,就得到了2、4管的控制信号。
CCU61单元的CC60通道的计数值与正弦表比较,然后将它的两路输出设为互补,就得到了5、7管的控制信号。同样的,CCU61单元的CC60通道的计数值与正弦表比较,就得到了6、8管的控制信号。
下面以S1,S2的控制波形的产生为例,具体解释:
如图4所示,位于0轴上方的蓝色的三角波为S1的载波,位于0轴下方的绿色的三角波为S2的载波,红色的正弦波为两者公共的调制波。我们用CCU60来实现这个过程。T12设为中心对称PWM生成模式,输出值为0~N~0这样的序列,代表三角载波。CCU60和CCU61通道寄存器依次载入正弦表的值,最大为M(M<N),代表正弦调制波。
注意到,计数器的值不可能为负,所以在处理S2管的调制过程时,要用到一些灵活变换。
(1)S1管控制波形的生成:
前半周期,计数值与通道寄存器的值比较。
后半周期,计数值与0比较。(后半周期,S1载波瞬时值恒大于调制波)
(2)S2管控制波形的生成:
前半周期,计数值与N比较。(前半周期,S2载波瞬时值恒大于调制波)
后半周期,计数值与通道寄存器的值加上M比较。(相当于后半周期,正弦波形整体上移一个正向最大值,这样处理之后,输出是等效的)。
然后将CC60以及CC61的两路输出设为互补,就得到了S3和S4的控制波形。同样的道理,可以得到右半桥臂四个管子的控制波形。这个过程就相当于理论上的PWM调制过程,输出的波形即为预期的波形!

四.实验结果
图6所示的是在直流侧输入电压为50V情况下的实验波形。其中的红色的正弦波形为输出的交流电流的波形,幅值1A。具有五个电平值的绿色波形即为两桥臂中点电压的输出波形,该波形具有50V,25V,0,-25V,-50V五个值。可以看出,中点电压钳位三电平单相全桥拓扑确实可行,同时我们利用英飞凌XE164单片机成功实现了三电平逆变器的控制。

                  图 6  两桥臂中点间输出电压与并网输出电流波形
参考文献
[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社
[2] 英飞凌单片机产品中文说明书
[3] Rodriguez, J.; Jih-Sheng Lai; Fang Zheng Peng. Multilevel Inverters: A Survey of
  Topologies, Controls, and Applications[J].Industrial Electronics, IEEE Transactions
  on Volume 49, Issue 4, Aug.
[4] Bin Wu.High-Power Converters and AC Drives----Short Course at Xi'an Jiaotong
   University.

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