1、单相数字变频电源的国内外研究现状摘 要变频电源自诞生以来，便以体积小、重量轻等优点，在节能、变频调速和改善电能质量方面起到了重要作用。好的变频电源输出波形不但要具有高的稳态性能，还应有快的动态响应，如何利用现有的资源设计出更为优秀的变频电源是研发人员的工作方向，本文主要研究了单相数字变频电源的国内外研究现状。 关键词单相数字变频电源；SPWM；电力电子；控制策略 中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0356-01 1 单相数字变频电源的研究背景及意义 变频电源自 1969 年诞生以来，便以其体积小，重量轻，功耗低的特点，在电子和电气领域得到
2、了极其广泛的应用。变频电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，使传统的工频整流电源材料减少70%80%，节能 20%30%，动态反应速度提高 23 个数量级，并不断向高频化、轻量化、模块化、智能化和大容量化的方向发展。 早期的变频电源，只需要输出不断电、电压、频率可调即可，然而，近年来随着各种电子产品的出现，对能源的重视逐渐加强，对电源的要求也越来越高，除了这些基本要求外，还要考虑对电网的污染等要求。当代社会出现的许多高新技术都与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换和控制密切相关，变频技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高
3、新技术的发展提供有力的支持。 2 单相数字变频电源的国内外研究现状 数字变频电源的主要特点：以数字信息构成智能化变频电源，模拟组件与数字组件优化组合，电源系统集成化，数字电源达到高技术指标。数字变频电源的核心部分包括电力电子器件、微控制器和控制策略，所以，单相数字变频电源的研究现状从以下 3 个方面进行阐述。 2.1 电力电子器件的研究现状 变频技术作为电力电子的核心技术，随着电力电子器件的不断发展，变频技术也随之发展。电力电子器件以美国 1957 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为起始点逐渐发展起来的。在器件的结构上，从分立器件发展到组合功率变换电路，继而将功率变换电路、触发控制电路和检
4、测电路等组合在一起构成复杂模块，目前已经开发出具有智能化功能的功率模块 IPM。智能功率集成电路能够提供数字控制逻辑与功率负载之间的接口，最简单的形式可由电平移动和驱动电路组成，把来自微控制器的逻辑信号转换成足以驱动负载的电压和电流，较复杂的智能功率集成电路能实现以下 3 项任务。 （1）控制功能：自动检测某些外部参量并调整功率器件的运行状态，以补偿外部参量的偏离。 （2）传感与保护功能：当器件出现过载、短路、过电压、欠电压或过热等非正常运行状态时，能测量相关信号并能进行相应保护，使功率器件工作在安全工作区。 （3）提供逻辑输出接口：功率模块的控制由驱动电路来执行，它具有处理高压、大电流或二者
5、兼备的能力。 2.2 微处理器控制技术的研究现状 最初使用的微处理器控制功率器件时，一般应用单片机来控制。单片机拥有丰富的硬件和软件资源，但随着变频系统的数据量、实时性和精度要求不断地增加，单片机的处理能力逐渐达不到系统的要求。 为了提高数据处理能力，近年来数字信号处理 DSP 发展迅速，TI 公司先后推出具有事件管理器模块的 TMS320F2407、TMS320F2812，已被广泛应用在高频开关电源的控制，采用 DSP 作为变频电源的控制核心，可以用最少的软硬件实现灵活准确的在线控制。 2.3 控制策略的研究现状 早期变频器大多采用开环控制，因为控制结果简单，应用方便。但由于其波形质量差、谐
6、波畸变率高，动态响应慢，只能应用在对电压质量要求比较低的场合，对电压质量要求较高的场合，则需要闭环控制，通过合适的闭环控制策略改善波形质量，减小误差，提高动态响应速度。各种闭环控制策略各有优缺点，几种闭环控制策略如下： （1）PID 控制。早期对变频电源的控制通常采用模拟 PID 控制，单纯采用输出电压瞬时值反馈，利用模拟 PID 控制器进行调节。随着 DSP的出现，瞬时值反馈数字 PID 逐渐出现，由于变频电源在空载时有很强的震荡性，积分环节又产生新的相位滞后，为保证系统稳定，比例环节的作用不能太强；加上数字控制的采样保持、运算时间引入的相位滞后及量化误差等因素的影响，减小了最大可得到的脉宽
7、，使得变频电源的输出电压波形畸变较高，特别是对非线性干扰抑制较差，通过各种补救措施如采用高速 AD 和提高开关频率的方法可以一定程度上提高精度，但性价比较差。 （2）双环控制。由于单电压环控制的抗负载扰动性能较差，所以在电压外环的基础上，引入电感电流作为内环，利用电流内环快速的抗干扰性能来改善输出波形，提高动态响应，增加其抗干扰性能。 （3）无差拍控制。无差拍控制是一种基于离散数学模型实现的 PWM方案，它根据正弦参考指令和测量的状态反馈变量，由微机来计算下一个开关周期的脉冲宽度，控制功率开关管动作以使下一采样时刻的输出电压准确等于正弦参考指令。 （4）模糊控制。模糊控制的设计中不需要被控对象
8、精确的数学模型，模糊控制有着较强的鲁棒性和自适应性，查找模糊控制表只需要占用处理器少量的时间，因而可以采用较高采样率来补偿模糊规则和实际经验的偏差。模糊控制理论上可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制。 2.4 单相数字变频电源的发展方向 目前，单相数字变频电源主要朝着以下几个方向发展： （1）高频化。理论分析与实践表明，电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。当我们把频率从工频 50Hz 提高到 20kHz，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5%10%，其主要材料可以节约 80%甚至更高，同时还能节电
9、 20%以上。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置进一步小型化、系统的动态反应加快，能够更加深刻的体现其技术含量。 （2）模块化。模块化的含义包括功率器件的模块化以及电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元甚至七单元，实质上都属于“标准”功率模块（SPM） 。近些年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM） ，不仅缩小了整机的体积，还方便了整机的设计。有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM） ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到
10、一个模块中，把寄生参数降到最小，从而提高了系统的可靠性。 （3）数字化。在传统电力电子技术中，控制部分是按模拟方式来设计和工作的。而今数字电路技术则越来越重要，信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高了系统的抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自我诊断，容错等技术的植入，电力电子领域以前难以处理的一些问题将迎刃而解。 （4）绿色化。随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声也越来越高。绿色电源的含义有两层：首先是显著节电。这意味着发电容量的节约，因为节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染。为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。 3 小结 总而言之，目前单相数字变频电源正朝着高效率，高稳定度，高功率密度，无污染，智能化的方向发展。
