基于XE164的三电平逆变器调制算法的实现

单片机

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 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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