一种改进的单相全桥电压源逆变器闭环PWM控制技术

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：An improved closed-loop PWM control technique for single-phase full-bridge voltage source inverter

单相全桥逆变器提出混合PWM与一周期控制结合的新型HPOCC技术，通过简化积分器、优化PWM调制降低开关损耗与谐波 distortion，同时保持一周期响应速度，实验与仿真验证其性能优于传统OCC和Sine-PWM方法。

　　

德班詹·达拉（Debanjan Dhara）|拉纳杰·保罗（Ranajay Paul）|苏瓦伦·达拉帕蒂（Suvarun Dalapati）

印度豪拉（Howrah）的IIEST希布普尔（IIEST Shibpur）电气工程系

摘要

对于单相全桥逆变器而言，混合PWM开关技术由于其较低的开关损耗和对单个半导体开关的热应力更小，因此更适合连续运行，同时不会影响PWM输出质量。另一方面，单周期控制（One-Cycle-Control，OCC）是一种非线性控制技术，用于电力电子转换器中以实现非常快的响应速度并补偿死时间失真。本文提出了一种基于混合PWM的单周期控制（HPOCC）技术，用于单相全桥逆变器，该技术在混合PWM模式下生成开关脉冲，从而降低了开关损耗，并且具有与传统OCC相似的控制动态特性。与传统的基于OCC的单相全桥逆变器相比，该技术不仅使用了一个可重置积分器而不是两个，而且还提供了更高质量的输出电压。所有这些优势使得这种技术成为传统OCC的更优替代方案。因此，这种PWM技术能够满足逆变器输出的低开关损耗、快速动态性能和低总谐波失真（THD）的要求。通过数学分析、数字平台仿真以及实验室实验验证了该技术的优越性，证实了其优于传统OCC和正弦PWM技术的性能。

引言

单相逆变器常用于家庭和低功率应用[1]，在这些应用中，低成本、性能提升和长寿命是所需的特点。PWM技术由于其高频开关特性，能够生成接近正弦波形的输出电压。这一特性有助于实现低输出THD，使其成为DC/AC转换的标准选择。

在各种单相逆变器的PWM技术中，正弦-三角PWM[2]因其控制逻辑简单而非常受欢迎，这也使其具有很高的成本效益和可靠性。然而，在电压源逆变器（VSI）中实现正弦PWM（SPWM）技术时，必须考虑死时间以避免“直通”现象。死时间的存在会导致输出失真，即“死时间失真”，从而增加输出THD并降低输出基波的幅度。除了死时间失真外，正弦PWM的开关损耗也非常高，因为单相逆变器的所有四个开关都处于高频工作状态。如此高的开关频率会增加开关损耗，表现为热量产生，并减少固态开关的寿命和可靠性，尤其是在接近允许极限的情况下。为了降低开关损耗、热量损失并延长电力开关的寿命，混合PWM[3]是最简单且最经济的解决方案之一。正弦-混合PWM[3]、[4]是一种非常常见的混合PWM技术。该技术[4]、[5]源自正弦PWM方法，与传统正弦PWM相比，具有低开关损耗和良好的输出性能。值得注意的是，[4]采用开环配置。因此，为了使其适用于闭环操作，正弦PWM与不同类型的复杂控制器结合使用，如双闭环矢量控制[6]、基于d-q的单相逆变器光伏电压调节控制[7]、PI协同混合控制[8]等。通常，对于基于传统静止参考框架的控制器，基于正弦PWM的逆变器的响应较慢，往往需要一个以上的输出周期（50/60 Hz）才能稳定到稳态值。而对于基于旋转参考框架的控制器，响应时间较短，只需要一个输出周期的一小部分（50/60 Hz）。其他一些先进的PWM控制方法包括固定开关频率的混合调制方法[9]、连续开关滑模控制[10]等。如[9]、[11]所描述的，采用软开关技术来最小化开关损耗。然而，这种方法并不基于任何快速控制技术。连续开关模控制的过渡响应相对较慢，无法在单个开关周期内调整控制单元。尽管闭环正弦PWM技术需要多个开关周期才能达到所需的参考值，但存在一种称为“单周期控制”（OCC）的非线性闭环控制技术，可以在一个开关周期内跟踪参考值[12]、[13]、[14]。因此，在其工作范围内，OCC的瞬态响应速度比其他PWM控制技术更快[15]。OCC的另一个显著特点是它具有固有的最小化死时间失真的能力[16]。因此，在性能方面，OCC优于传统的正弦PWM技术。OCC技术的核心控制逻辑可以使用简单的模拟电路实现[17]，使其易于实现。由于其响应时间较短，该技术可用于非常高频率的逆变器应用[18]、并网光伏应用[19]等。除了DC到DC或DC到AC转换器外，OCC技术还可以用于控制AC到DC转换器[20]、[21]、[22]、[23]。但是，传统的单相逆变器OCC技术在硬件实现方面存在一些主要缺点，如有限的复位时间、需要快速可重置的线性积分器[12]、受控“开关变量”与实际“输出变量”之间的误差[14]、由于“双极脉冲效应”导致的较高输出电流纹波[24]、以及较高开关频率下的更高开关损耗等。

本文提出了一种基于混合PWM的单周期控制（HPOCC）新技术，用于单相逆变器。与传统的OCC相比，该技术在性能上有多方面的改进：(a) 在相同开关频率下降低开关损耗，从而提高能效；(b) 降低输出THD，从而改善输出电压和电流波形的质量；(c) 消除负载电压中的双极脉冲，从而比传统OCC逆变器具有更低的负载电流纹波；(d) 硬件电路更简单，可以使用常见的硬件组件实现。因此，该技术能够解决传统OCC逆变器的所有主要问题。同时，该技术能够实现“单周期响应”，并像传统OCC一样部分补偿死时间失真。所有这些特点表明，该技术可以是控制单相全桥PWM逆变器的传统OCC的有吸引力的替代方案。本文介绍了该技术的原理，详细分析了其特性，并通过数字平台仿真和实验室原型实验验证了其性能。结果证实了该控制策略优于传统的OCC或正弦-三角PWM策略。

本文分为九个部分。第2部分介绍了单周期控制（OCC）的基本控制原理，强调了其快速瞬态响应的能力。同时介绍了传统OCC的关键特性，并讨论了将其应用于单相逆变器的局限性。第3部分描述了所提出的闭环PWM技术，包括一些必要的波形和电路图。第4部分进行了全面的性能分析，并通过数学分析将所提技术的预期性能与传统技术进行了比较。第5部分提供了逐步设计流程，并展示了将用于仿真和实验验证HPOCC技术的逆变器原型模型。然后，通过仿真验证了该技术的性能，并将其性能与其他现有的闭环PWM技术进行了比较。第7部分展示了使用该技术的实验室原型逆变器的一些实验结果。第8部分简要讨论了该技术，并与其他先进技术进行了定量比较。最后，第9部分总结了本文的结论。

技术细节

传统单周期控制逆变器的工作原理

在OCC中，开关变量在一个开关周期内被积分，直到其“平均值”与同一开关周期的参考变量值匹配。一个简单的例子是非隔离式Buck转换器，它使用一个开关和一个二极管，通过使用二极管电压作为开关变量来调节输出电压（图1）。在每个开关周期开始时，开关Q1导通，使二极管电压（v_d）大约等于

提出的闭环PWM占空比控制技术

所提出技术的闭环原理基于OCC原理，以实现逆变器的快速响应。在此技术中，输出PWM电压的绝对值被视为开关变量。该绝对值被积分后与绝对参考值进行比较，以获得所需的导通时间，如(9)所示。因此，输出电压的平均值总是在一个开关周期内与参考值匹配，如(10)所示。$\left(v_{\mathrm{ref}}\left(t\right)\right)=\frac{1}{\mathrm{RC}}{\int }_0$

性能分析

本节通过数学方程比较了所提技术与传统OCC和正弦PWM技术的性能。比较基于以下性能参数：(a) 负载电压THD；(b) 开关损耗；(c) 负载电流纹波，这些参数来自单相全桥逆变器，输出为正弦波形，并由上述技术控制。在所有情况下，参考电压v_{ref($\mathrm{\omega t}$)和负载功率因数$\cos \phi$保持不变。}

设计

前一部分通过图表和数学表达式说明了HPOCC技术是控制单相全桥逆变器的有吸引力的选择。为了通过仿真和实验设置验证该技术的有效性，需要设计一个单相逆变器及其HPOCC控制器的模型。本节提供了完成单相逆变器设计的逐步流程，以及相关的R-C值。

所提出的HPOCC技术的仿真性能验证

如图4所示，将所提技术的控制电路连接到单相全桥逆变器上，并在数字平台上进行了仿真，以检查所提PWM技术的性能，并将其与(i)基于传统OCC的逆变器和(ii)基于正弦PWM的逆变器的相应仿真结果进行比较，所有这些逆变器都在相同的参数下运行。表3给出了仿真中使用的参数的额定值。

图11显示了

通过硬件实验验证所提出的HPOCC技术的性能

该技术通过在使用通用印刷电路板的离散组件上实现，以控制独立的单相全桥逆变器，从而验证其性能。表4列出了运行此实验设置所使用的主要组件列表。

组件选择主要基于本文第5节中介绍的设计计算，以及从组件技术规格中获得的特性。

讨论

前几节通过仿真和实验室原型实验展示了所提出的HPOCC技术的性能分析和验证。仿真和实验结果证明了该技术的能力。将所提出的HPOCC技术与其他现有的逆变器控制技术进行比较可能具有学术意义，这些技术可以在已发表的文献中找到。表6对此进行了比较。

结论

本文提出了一种改进的单周期控制版本，该技术在单相全桥逆变器上以混合PWM模式运行，同时保持了单周期响应的特点。与传统OCC相比，所提出的控制策略具有多个优势，如更少的组件数量、更好的输出电压质量和更高的效率。此外，与传统OCC相比，它还提供了更低的负载电流纹波。

作者贡献声明

德班詹·达拉（Debanjan Dhara）：撰写——原始草稿，概念构思。拉纳杰·保罗（Ranajay Paul）：撰写——原始草稿，概念构思。苏瓦伦·达拉帕蒂（Suvarun Dalapati）：撰写——原始草稿，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。