PDF《Z 源AC / AC 变换器的谐波消除 PWM 技术》

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0. 5输出电压与输入电压同相.

2 电机与控制学报第15 卷20

10 0 -10 -20 占空比 D 电压增益

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 图2电压增益与占空比关系曲线 Fig.

2 Relation curve for voltage gain and dutyfactor D

2 谐波消除 PWM 技术 由于要起到谐波消除作用, 单一恒定值占空比 的PWM 信号已无法满足要求, 需采用占空比随时 间变化的函数形式表达.令f( t) 为变换器 PWM 信 号的开关函数.通过傅里叶级数展开, f ( t) 可表 示为 f( t) = A0 + ∑ +∞ n =

1 An cos( nωs t) . ( 5) 其中 ωs = 2π Ts .在开关频率足够高的情况下, 可认为 调制函数 f( t) 在一个开关周期时间内恒定, 恒定值 为fD ( t) .A0 与An 分别为 A0 =

1 Ts ∫ T s

0 fD ( t) dt =

1 T ( s ∫ f D( t) Ts

0 1dt + ∫

1 -f D( t)・ Ts

0 0d ) t = fD ( t) ;

( 6) An =

2 Ts ∫ f D( t) Ts

0 cos( nωs t) d ( ) t [

2 +

2 Ts ∫ f D( t) Ts

0 sin( nωs t) d ( ) t ]

2 1

2 = 2sin( nfD ( t) π) nπ . ( 7) 式( 7) 所示为 Z 源变换器高频工作方式下开关 倍频及开关倍频旁瓣对应的高频谐波成分.由于图

1 所示变换器电路输出端的 Lf 、 CL 构成低通滤波环 节, 这些高频谐波成分对负载端电压的影响可以忽 略.因此, 结合式( 4) , 变换器的输出电压可以表 示为 Vout ( t) = fD ( t) 2fD ( t) -

1 Vin ( t) . ( 8) 无谐波情况下 Z 源变换器采用传统 PWM 控制 方式, 调制函数 fD ( t) 取恒定值 D, 输出电压与输入 电压之间有关系式, 即Vout ( t) = D 2D -

1 Vin - main ( t) . ( 9) 其中, Vin - main ( t) 表示不含谐波的输入电压基波量. 此时, 输出电压 Vout ( t) 按式( 4) 所示的电压增益输 出, 不含谐波量. 输入电压含谐波情况下, 变换器采用谐波消除 PWM 控制技术.令调制函数为 fe ( t) , 使得在输入 电压含谐波情况下输出电压 Vout ( t) 保持不变, 有关 系式, 即Vout ( t) = fe ( t) 2fe ( t) -

1 [ Vin - main ( t) + Vin - H( t) ] . ( 10) 其中, Vin - H( t) 表示输入电压中的谐波量. 根据式( 9) 及式( 10) , 可推导出谐波消除调制 函数 fe ( t) 为fe ( t) = g( t) 2g( t) -

1 . ( 11) 其中 g( t) = D 2D -

1 Vin - main ( t) Vin - main ( t) + Vin - H( t) = D 2D -

1 Vin - main ( t) Vin ( t) . ( 12) 由于 Vin - main ( t) 可以通过对 Vin ( t) 进行简单的 低通滤波获得, 在求解调制函数 fe ( t) 的过程中, 不 需要分别计算各次谐波电压, 也不需要任何反馈量. 此谐波消除 PWM 技术可以通过简单的前馈方式实 现, 显著降低了系统对控制器带宽的要求, 具有较强 的稳定性及可靠性. 由于以上谐波消除 PWM 技术的推导过程不涉 及变换器参数及负荷参数, 所以谐波抑制效果不受 此两类参数影响.

3 仿真实验 根据式( 11) 及式( 12) 所示的调制函数表达式, 图3给出了谐波消除 PWM 技术的控制及仿真框 图.输入电压基波量由低通滤波器得到, 不仅用以 生成调制函数, 也基于式( 4) 完成占空比的计算. 实时电压调节模块通过电压实际反馈值与参考值的 比较, 采用 PI 控制模式, 对占空比值进行微调以稳 定输出电压.调制函数生成模块产生随时间变化的 开关占空比信号, 达到稳压及谐波消除作用.通过 调制比较器生成 PWM 开关信号, 控制开........