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1、第3l卷第2期电力自动化设备V0131 No2201 1年2月E1Pfr Power Automation EquipmentFet，2011对称PWM减小H半桥型开关功放电流纹波的新方法翟小飞，刘德志，欧阳斌，魏克银，晏明(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重，最实验室，湖北武汉430033)摘要：针对H半桥两电平开关功率放大器输出电流纹波较大导致负载损耗增加的缺点提出采用2路中心对称但占空比不同的PWM实现三电平工作方式的新方法称为对称PWM法。该方法采用一路PWM占空比固定，另一路PWM占空比受控可变的原理实现了三电平工作方式。给出了输出电流纹波计算公式利用Matlab对开关功率放大器
2、进行了仿真，构建了以DSP为控制核心的数字式开关功率放大器试验平台进行了两电平和三电平开关功率放大器对比试验。理论分析、数字仿真和试验结果的一致性表明采用对称PWM法能够有效地减小H半桥开关功率放大器输出电流纹波关键词：对称PWM；三电平功率放大器；电流纹波；H半桥电路：DSP中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：10066047(2011)020058040引言开关功率放大器(简称功放)广泛应用于电磁轴承电流控制、同步发电机励磁电流控制、减震作动器电流控制等场合主要目的是在线圈绕组中产生大小可控的电流，通常作为控制系统中电流环的执行环节1-引。在较大容量的功放中几乎全部采用开关型功放
3、其中包括了可以输出双向电流的H全桥结构和电流单向流动的H半桥结构t50。开关功放有2个主要指标一个是电流跟踪动态特性另一个是输出电流纹波大小。文献5 1表明降低直流侧电压可以减小输出电流纹波但同时也降低了电流的响应速度：提高开关频率可以降低电流纹波但会增加开关损耗同时开关频率受到功率器件极限频率的限制增加范围有限。三电平功放是近来研究较多的一种降低电流纹波的控制方式孓11。针对H全桥。文献5-6给出了实现三电平控制的方法，如PWM调制方法、滞环比较方法、采样一保持方法。这些方法有效地减小了电流纹波。本文针对文献f12采用的H半桥型开关功放提出采用对称PWM方法实现三电平输出方式，其中一路PWM
4、占空比固定通过调节另一路PWM占空比改变负载平均电压从而改变负载平均电流。由于只需改变一路PWM脉冲占空比，方法简单，易于在控制器中实现。1对称PWM方法实现三电平功放原理及方法11H半桥型开关功放工作原理半桥型开关功放应用在励磁电流放大、无偏置电磁轴承等电流单向流动的系统中其电路结构原理图如图1所示【12-13。图中VmVl2均为IGBT，VDl、收稿日期：20100607：修回13期：20101108基金项目：国家自然科学基金资助项目(510771311f奉且vm：平渡电感vS=C 一瞪mArF计nb毡一飞：i：_鼋!图1H半桥型开关功放电路原理Fig1Schematicdiagramof
5、Hhalf bridgeswitchingpower amplifierVm为续流二极管，由于V。、Vm的作用，阻感负载(电感为厶，电阻为尺，)电流，m只能沿一个方向流动。开关S与电阻尺。构成放电回路。仉为直流励磁电源，厶与R。为平波电感的感值及阻值，C为直流滤波电容，玑为滤波电容电压。引入V耵、V亿组成的开关函数(S，S：)，定义如下：(Sl，s2)=(1，1)，V11和V12同时导通，“+l”；(Sl，S2)=(0，1)，V11截止，V他导通，“0+”；(S。，s2)=(0，0)，V11和V12同时截止，“一l”；(S。，s2)=(1，0)，V11导通，V12截止，“0一”。H半桥型功放根
6、据(Js。，S：)模态分为4种状态。状态l：(S。，S2)=(1，1)，充电阶段，此时V11和V12导通，加在绕组两端电压以。=玑，称之为“+l”状态。此时，绕组处于充电过程，负载电流，m不断增加。状态2：(ShS：)=(0，1)，自然续流阶段，Vn截止，、k导通，加在绕组两端电压以。=0。负载电流，m经过V亿和V埘自然续流，称之为“0+”状态。状态3：(S，S：)=(0，0)，反向放电阶段，Vn和V12均截止，加在绕组两端电压以。=一玑，称之为“一l”状态。此时，绕组通过VDl、Vm向电容C反向充电，负载电流，m快速减小。状态4：(S，|s：)=(1，0)，自然续流阶段，V们导通。V他截止，
7、加在绕组两端电压以。=0。负载电流，m经过VD2和Vn自然续流，称之为“0一”状态。根据以上分析，如果V们和V亿控制脉冲PWM。万方数据和PWM：完全相同，(ShS2)只能取得“+1”状态(以8=玑)和“一l”(以。=一砜)2种状态，因此称这种方式为两电平方式；当(5。&)取得上述所列出的4种状态时除了可以存在“+1”和“一l”状态外还可以获得“0+”和“0一”2种形式的“0”状态(以8=0)，因此称这种方式为i电平控制方式。12对称PWM三电平开关功放工作原理分析实现开关功放的三电平方式就是在一个开关周期内对上述4种工作状态的组合。图2为H半桥开关功放采用对称PWM方法输出电流波形示意图。P
8、WM，为采用固定占空比D村的方波(称为参考波)，PWM，的占空比D可以改变且2个PWM方波在正半周和负半周均中心对称因此称之为对称PWM控制方法。2个PWM占空比不同导致功放出现4种工作状态，实现了功放三电平工作方式。rM一，个、。=_|D。 矿 巩。、：!，、o M7L瓜、一。lD多f卜7卜、。o 卜 fkD 、气卜一p+罨幽f0+0+(a)DdD一务一上一生7、D ，7：弋：、 r。lDtDgritty2：0，从式(1)可以得出PWM：的占空比D范围为(1一Dd)D1(2)相应地，负载平均电流J。范围为0imD耐厶(3)从式(1)可以看出，改变PWM：占空比D可以改变加在负载上的平均电压玩
9、。以及负载电流平均值，。，这就是采用对称PWM对负载电流，m进行控制的基本原理。当占空比D=l时H半桥电路工作在“+1”和“0+”2种状态等效于单管斩波的Buck电路。无特殊说明下文称为“三电平”方式均指对称PWM控制方法产生的。13两电平和三电平电流纹波分析礴电平与三电平控制方式下电流波形见图3。卜石叫冒l(a)三电平电流波形(b)阴电半电流凝彤图3两电平与三电平控制方式下电流波形示意图Fig3Current wavef；ormundertwo-levelorthree1evelcontrol设阻感性负载所加电压矾。，则负载电流i。()为im(t)=半1-exp(-tr)+，0exp(一tf
10、)(4)其中，r=厶月，为绕组时间常数，厶为负载初始电流。由于自然续流放电过程电流下降很小因此可以近似认为电流几乎没有变化，即图3(a)中的11=，呱，(b)DfpD图2对称PWM输出电流波形示意图Fig2Outputcurrentofamplifier withsymmetricalPWMs，2=缸。根据式(4)可以得到：，懈=，d1-exp(-toIf)+kexp(-to_lf)、。7，n如=一厶1一exp(一t23r)+，n。exp(一t23l-)其中，to一。为“+1状态持续时间，t：一3为“一l”状态持续从图2(a)可以看出当D一D时，在一个开关周期r内H半桥出现了“0一”、“+1”
11、、“一l”3种工作模，r。=Ij(tolr)+k(1一一lIv)【6)式。可见对称PWM方法实现了H半桥开关功放三厶in=一厶(一t2-3f)+五呱(1一t23r)电平工作方式输出电流在周期丁内出现了4次波求解，可以得出：动。无论是D耐_D，容易得出阻感性负载，一!坠!二!塾321!Q=!12=3，。i!照l=12蔓21鱼=112=3，16l以口=(刀+一l)仉=巩仉k=瓦(to-l忱-t2-，s)Tf瓦-to-I百t2-3铲t粤鲁铲厶u7的平均电压玩。和平均电流j。为1“一一1+t2 3)l-to一123(tol+t23)rJtd，、【，。=以口Rt=D帕Id进而，三电平电流纹波Ak为万方数
12、据电力自动化设备第31卷讥=kk2孟糟，d(8)、。、由于对称PWM三电平存在D村D的2种工况。因此对式(8)的求解分2种情况。aD耐D时，根据图2(a)，“+1”状态时间to1D时T，“一l”状态时间t2-3=(1一D)T。结合式(2)容易得知此时D耐D时，根据图2(b)，tol=DT，t23=(1一D一)丁。结合式(2)可以容易得知D耐05。考虑D：1+D面一觚，根=据竽式(8)拦可以掣求出电流，纹波d为(10)当D=D村时，开关功放变为两电平工作方式(只有“+1”和“一1”2种状态)，其电流波形如图3(b)所示。此时，to一=DT，t23=(1一D)T，根据文献4给出的两电平平均占空比D
13、葩=2D一1，结合式(8)可以得到两电平工作时，电流纹波k为讥：丝号丝厶：下1(1一D：)导d(11)为加快输出电流响应速度，一般玑取值较大而R，取值较小，有D。=lmRfud一0，式(9)(10)可简化为z、r八八尹，_r善宣矿、d譬尊ts(b)三电平图4两电平与三电平仿真波形Fig4Simulativewaveformsof twolevelorthreelevelworkingsmode试验采用1I公司的DSP处理芯片TMS320A，二=D村玑(皿f) D耐O5(13)PM75RL060中的U、W两相作为H半桥主电路。其中，厂为开关频率，厶为负载电感。LA28一P电流传感器(TA)将负载
14、电流，m检测后送人式(11)所表示的两电平电流纹波可以简化为DSP的AD部分14】。闭环控制及PID控制算法在DSPAk=玑(2fLf)(14)中由软件实现，设定PWM，为参考PWM，PWM：为控对照式(12)(13)(14)可以看出对称PWM三电制PWM E15。实验电气连接及电流闭环控制原理如平电流纹波几小于两电平电流纹波出，且2种方式的电流纹波均与励磁电压玑成正比。与开关频率厂、负载电感厶成反比。2仿真及试验分析本文在Matlab中建立了H半桥电流功放仿真模型并采用对称PWM法实现其三电平工作方式，并与两电平工作方式进行了对比。参考波PWM。占空比取D耐=03。仿真参数为：电流输出指令，
15、m删= 3 A，励磁电压玑=60 V，阻感性负载Lf=21 mH，Rf= 185 Q，开关频率厂-10 kHz。仿真结果如图4所示。仿真结果显示输出平均电流为3 A时两电平时电流纹波为148 A三电平时电流纹波降为081 A。根据式(12)(14)，两电平纹波甜孟与对称PWM三图5所示。试验参数和仿真参数相同。如图6所示，采用电流闭环控制无论采用两电平还是三电平控制方式，电流功放均可输出平均值为3 A的电流，实现了输出指令大小的电流功能。采用对称PWM控制方法明显地减小了输出电流纹波提高了电流控制精度。表1为两电平和三电平控制方式下电流纹波的理论推导、仿真及试验对比结果，可以看出三者结果较为一
16、致。Lf风(a)电气连接原理电平纹波玑理论计算分别为蛾2薏2瓦而而6硒0丽=1428(A)(b)电流闭环控制原理框图蛾=警=丽丽03西x6丽0矿=0857(A)图5电流功放试验的电气连接及控制原理图Fig5Schematic dia伊ams of current可见，理论计算结果和仿真结果较为接近。amplifier experiment万方数据第2期翟小飞，等：对称PwM减小H半桥剐开关功放电流纹波的新方法号“a匠等二。-Et：25Ixsdiv(a)两电平控制方式AI督一a差葛二z臣等t：25 ttsdiv(b)对称PWM控制方式图6电流指令，T删=3 A，电流功放试验结果Fig6Exper
17、imentalresults ofswitchingamplifier，k捌=3 A表l输出电流纹波对比(，m=30 A。=O7)Tab1ComparisonofcurrentrippleA控制方式理论推导仿真结果试验结果3结语理论、仿真及试验表明，采用参考PWM控制方法实现了H半桥拓扑电路的电流功放三电平输出有效地减小了输出电流纹波文中给出了两电平和三电平电流纹波计算公式从理论上解释了对称PWM方法减小电流纹波的原理。仿真和试验结果证明了对两电平、三电平电流纹波理论推导的正确性。参考PWM方法只需控制一路PWM占空比。实现简单。参考文献：11 BASLERM JExcitation syst
18、ems：the current state of the artCIEEEPES2006GeneralMeetingMontreal，Quebec，Canada：IEEE，2006：1-72李基成现代同步发电机励磁系统设计及应用M2版北京：中国电力出版社2009：2342363贾贵玺，董钺，张臣堂基于PWM控制的发电机励磁系统J天津大学学报2005，38(10)：874-877JIAGuixiDONGYue，ZHANGChentangPWMbasedexcitationsystemofgeneratorsJJournalofTianjinUniversity，2005，38(10)：87487
19、74李军，李华峰基于斩波控制的新型励磁系统J电力自动化设备200626(7)：13一17LIJun，LIHuafengNovelexcitations)stembasedonchoppedwavecontrolJElectricPowerAutomationEquipment，2006，26(7)：13175臧晓敏，乇晓琳，仇志坚，等磁轴承开关功放中电流三态调制技术的研究J1中国电机工程学报，2004，24(9)：167172ZANGXiaomin，WANG Xianlin，QIUZhijian，eta1Researchoncurrentmodetri-statemodulationtechn
20、otogyinswitchingpoweramplifierfor magnetic bearingsJjProceedings of the CSEE。200424(9)：167-1726张亮，房建成电磁轴承脉宽调制型开荚功放的实现及电流纹渡分析J电工技术学报，2007，22(3)：13，20ZHANG LiangFANG JianchengAnalysis of current ripple and implementation of pulse width modulation switching power amplifiersforactivemagneticbe商rIgJTrans
21、actionsofChinaElectrotechniealSociety2007，22(3)：13207田希晖房建成，刘刚磁悬浮飞轮混合磁轴承模糊PI控制PWM开关功放J仪器仪表学报，2008，29(5)：943948TIANXihui。FANGJiancheng，UUGangMagneticsuspendingflywheelhybridmagneticbearing PWM switching power amplifierbased on fuzzy PIcontrolJ)ChineseJournalofSeientifieIns-trument。200829(5)：9439488曾学
22、明，徐龙祥，刘正埙电磁轴承三电平PWM功率放大器研究J电力电子技术，2002，36(3)：1315ZENGXueming，XULongxiang，LIUZhengxunStudyofthreelevel PWMpoweramplifier for AMBJPowerElectronics，200236(3)：13159李冰，邓智泉，严仰光磁轴承：三态开关功率放大器的电流模式控制J电力电子技术200337(4)：5255LIBing，DENGZhiquan，YANYangguangCurrentmodeswltehingfor tristateamplifiers in magnetic bea
23、ring control systemsupportinghighspeed motorJPower Electronics，2003，37(4)：525510臧晓敏王晓琳，仇志坚。等一种改进的基于采样一保持策略磁轴承用电流三态调制开关功放J电工技术学报，2004，19(10)：8590zANG XiaominWANG Xianlin，QIU Zhijian，et a1An im-proved current-controlled tristate switching power amplifier for magnetic bearings based on samplehold strat
24、egyJTransae tions of China Electroteehnieal Society，200419(10)：859011张亮，房建成电磁轴承开关功放的谐波模型仿真与试验研究J中国电机工程学报，2007，27(21)：95100ZHANGLiang，FANGJianchengHarmonicmodelsimulationandexperimentoftheswitchingpoweramplifierforactivemagneticbearingJProeeedings of the CSEE，2007，27(21)：9510012翟小飞，刘德志，欧阳斌基于H桥拓扑结构的励磁
25、电流放大器研究J电工技术学报2009。24(5)：114118ZHAIXiaofeiUUDezhiOUYANGBinResearchonthe目citerfieldcurrentamplifier based On H bridge topology eiritJTransactions of China Electrotechnical Society，2009，24(5)：11411813林渭勋现代电力电子电路M杭州：浙江大学出版社，2002：20420614翟小飞，张俊洪，赵镜红基于DSP矢量控制中检测反馈电流新方法J电力自动化设备2007，27(2)：62-64ZHAIXiaofeiZ
26、HANGJunhongZHAO Jinghongndbk cur-rentdetectioninvectorcontrolbaaedonDSPcontrollerJEleetriePowerAutomation Equipment200727(2)：626415苏奎峰，吕强。常天庆等TMS320X281x DSP原理及C程序开发M北京：北京航空航天大学出版社，2008：7680(编辑：柏英武)作者简介：翟小飞(1982一)，男，陕西西安人，博士研究生，研究方向为集成化发电(Email：smartnavy126com)；刘德志(1953一)，男。江苏南京人，教授。博士研究生导师研究方向为集成化发
27、电；欧阳斌(1981一)，男，江西赣州人。博士研究生，研究方向为集成化发电。(下转第67页continuedonpage67)万方数据第2期刘青移，等：新型有源箝位z、7s单级PFC变换器_-_-_-_-_-_-一IIII一_II-_-SU Bin，HANG LijunYANG Taoet a1Novel singlestage iso 1ated ZVT power-factor-corrected converterJProceedings of theCSEE，2008，28(3)：40舶9吴洪洋何湘宁一种新颖的：三电平软开关功率因数校正电路J中国电机工程学报，2002，22(10)：2
28、227WUHongyangHEXiangningAnovelthreelevelpowerfactorcorrect circuit withpassivesoftswitchingJProceedingsoftheCSEE200222(10)：222710壬文倩，陈敏，徐德鸿单相Boost型功率冈数校正电路软开关技术的综述J电源技术应用，2006，9(3)：9-16WANGWenqianCHENMin，XUDehongAnoverviewofsoft-switchingtechniquesfor boost power factor correction circuitsJPowerSupp
29、lyTechnologiesandApplications。2006，9(3)916111陈赣锴，王君艳Boost功率因数校正器在三种工作模式下特性的比较J现代电子技术，2007(11)：103105CHENDengkai，WANGJunyanThecharacteristiccomparisonof Boost PFC in three modeLJModemElectronicsTechnique，2007(11)：103-10512贲洪奇，金祖敏一种新型零电流零电压开关功率因数校正全桥尔滨工业大学学报，2003，35(4)：420-427BEN HongqiFENG Bo，WU Xink
30、eSingle stage PFC circuit with full bridge structureJJournal of Harbin Institute ofTechnology，2003，35(4)：42042714冯波徐德鸿1 kW复合有源箝位功率因数校正变换器J中国电机工程学报，200525(3)：3337FENGBoXUDehong1kWPFCconverterwithcompoundactive-clampingJProceedings of the CSEE2005，25(3)：33-3715吴晓波，秦松，严晓浪一种新型最小电压有源箝位PFC控制器J微电子学，2006，36
31、(2)：233236WUXiaoboQINSong，YAN XianlangAnovelminimum-voltageactive-clamping PFC eontrullerJMicroelectronics，2006，36(2)：233236(编辑：柏英武)作者简介：刘青移(1986一)，男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为有源功率因数校正技术及其应用(E-mail：liuqingyi86163corn)；变换器J中国电机工程学报2004，24(6)：162166王大庆(1984一)，男，吉林延边人。博士研究生，研究方向BEN Hongqi，JIN ZuminA novel zeroc
32、urrent and zero-voltage为有源功率因数校正技术及其应用：switching fullbridge converter with power factor correctionJ贲洪奇(1965一)，男，黑龙江哈尔滨人，教授博士研究生Proceedings of the CSEE200424(6)：162166导师，博士后研究方向为高频功率变换技术及有源功率因数(13贲洪奇。冯驳。吴新科全桥结构的单级PFC电路研究J哈校正技术Active-clampingZVS single-stage PFC converterLIUQingyi，WANGDaqing，BENHongqi
33、(HarbinInstituteof Technology，Harbin 1 5000 1，China)Abstract：As the power switches of traditional PFC(Power Factor Correction)converter working in hard switching mode has high voltage stress，combined with the techniques of phaseshifted fullbridge and active clamping，a PFC converter based on traditio
34、nal Boost circuit is proposed，which realizes the power factor correction and DCDC conversion by single stage circuitBy the activeclamping circuit parallel to the bridge and suitable control strategy，the voltage spike induced during the commutation by the leakage inductance of transformer can be grea
35、tly absorbed and the voltage stress of power switches is reducedBoth the bridge switch and clamping switch realize the ZVS(Zero-VoltageSwitching)by making use of the resonance between the leakage inductance of transformer and the parasitic capacitance of switchThe conditions of ZVS operation ale obt
36、ained by analyzing the working principle of converterExperimental results verify that the proposed converter realizes near unity power factor，low switch voltage stress and ZVSKeywords：powerfactorcorrection；singlestage；activeclamping；phaseshiftedfullbridge；zero-voltageswitching一-+-一+一-一+-+-一一-+_一-0-一
37、。一，-一一-卜一+-+-_一-卜-一-一一-d-+山+-+_一-一-斗(上接第6l页continued from page61)Current ripplereductionwithsymmetricalPWM forHhalf bridge switching power amplifierZHAIXiaofeiLIUDezhi。OUYANGBin，WElKeyin，YANMing(National KeyLaboratoryforVesselIntegratedPowerSystemTechnology，NavalUniversityofEngineering，Wuhan 430033，
38、China)Abstract：As the twolevel H-half bridge switching power amplifier has significant current rippleresulting in heavier load lOSSa three1evel Hhalf bridge switching power amplifier with two symmetrical PWM signals is proposed，one of which has fixed duty ratio and the other verifiedThe analytical c
39、omputation of current ripple is presented and the numerical simulation is carried out with MatlabAn experimental switching power amplifier controlled by DSP is constructed and the comparative test is performed between two-level and three1evel Hhalf bridge switching power amplifiersAll show that the
40、amplifier with two symmetrical PWM signals has much lower output current rippleThisworkissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationof China(51077131)Keywords：symmetrical PWM；threelevel power amplifier；current ripple；Hhalf bridgecircuit；DSP万方数据对称PWM减小H半桥型开关功放电流纹波的新方法作者：翟小飞， 刘德志， 欧阳斌， 魏克银， 晏明， ZHAI Xiaofei， LIU Dezhi， OUYANG Bin， WEI Keyin，