1术语和定义

集成电路	集成电路
红外	红外
领导	发光二极管

2引用

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3. GreenPAK开发工具、GreenPAK开发工具网页、Dialog Semiconductoryabo国际娱乐
4. GreenPAK应用笔记，GreenPak应用笔记网页，对话框半导体yabo国际娱乐
5. AN-CM-265可编程限制PWM、Application Note、Diyabo国际娱乐alog Semiconductor。
6. SLG46826V，数据表，Dialog Syabo国际娱乐emiconductor。

作者:荷兰国际集团(Ing)。Alberto I. Leibovich & Ing博士。巴勃罗·e·Leibovich

本文最初发表于经济日报．

3介绍

可再生能源仍然是世界范围内的一个巨大趋势。随着捕获风能、太阳能和其他形式的可再生能源的方法的发展，可再生能源系统的成本和效率对公司和消费者都越来越有吸引力。事实上，2016年，全球对可再生能源的货币投资降至多年来的最低数字，与此同时，可再生能源安装数量打破了同一年份的最高纪录。随着成本和开发的权衡发生了巨大变化，进一步创新的市场正在蓬勃发展。

在用于可再生能源的组件中，逆变器作为独特的关键系统组件脱颖而出。由于大多数可再生能源都是直流产生的，逆变器在将直流电转换为交流电以有效地集成到现有电网中扮演着关键角色。在混合电力系统(结合不同的可再生资源)和微电网系统中，使用逆变器是必不可少的。

可再生能源逆变器在单相和三相电机和其他旋转机械的工业应用中发挥着重要作用。亚博国际官网平台网址变频和电压(由逆变器获得)是这类设备自主控制的原理。

为了实现功率转换，直流-交流逆变器通常采用脉宽调制(PWM)技术。PWM是一种有用的技术，其中开关像功率mosfet是由可变宽度的脉冲控制。为了获得自动控制和调节，PWM技术被用来保持逆变器的交流电压输出(及其频率)在标称值独立于输出负载。

为了使逆变器控制系统获得更好的响应，人们开展了许多研究和技术。传统的逆变器根据负载的变化改变输出电压。为了降低输出电压对负载变化的敏感性，基于PWM的逆变器通过改变相对较高频率产生的脉冲宽度来调节输出电压。因此，输出电压取决于开关频率和脉冲宽度，而开关频率和脉冲宽度随连接在输出端的负载的值而变化。有了这种类型的调节，逆变器提供一个恒定的标称电压和频率独立于输出功率。

研究了几种产生脉宽调制的方法。逆变器的效率参数，如开关损耗和谐波降阻，是任何调制技术评估中要考虑的主要因素。经过多次测试分析，正弦脉宽调制(SPWM)作为PWM逆变器的调制方法在电力电子中得到了广泛的应用。

4 SPWM逆变器概念

三相波桥逆变器是工业应用中最常用的逆变器拓扑结构。亚博国际官网平台网址为了简化这个概念，我们分析了一个单相版本。单相设计包括h桥每臂上的开关晶体管或igbt，以及反并行自由轮动二极管，当开关关闭时进行放电。其原理图如图1所示。

图1:基本h桥电路

晶体管(通常是功率mosfet)被识别为S1、S2、S3和S4。交换开关，使同一臂上的两个晶体管不同时导通或断开，从而防止短路。

为了在负载时产生交流电，晶体管必须成对工作(S1和S2导电，S3和S4开路，反之亦然)。表一显示了不同的开关阶段和施加给负载的电压。

表1:交换机逻辑

S1	S2	S3	S4	v
在	在	从	从	+直流
从	从	在	在	直流

一个方波逆变器(也称为基本逆变器)是由两个方波在相反的相位和频率等于期望的频率输出。其中一个波形应用于S1和S2，另一个波形应用于S3和S4。图2显示了如果使用这种类型的逆变器，则PWM控制信号和负载中获得的电压。

图2基本PWM控制信号和输出电压

PWM是基于恒幅脉冲的产生，通过改变占空比来调制脉冲的持续时间。参考信号或调制信号是期望的信号输出(在逆变器输出电压波形的情况下是正弦信号)，载波信号必须有一个比调制的频率大得多的频率。这是使用正弦PWM (SPWM)作为PWM逆变器调制方法的主要原因。

5变频调速特性

SPWM调制是基于每个周期不同占空比的恒幅脉冲。脉冲的宽度是通过调制载波来获得所需的输出电压并减少其谐波含量。

SPWM的载波信号通常是一个高频率的三角波，一般在几个KHz。SPWM的调制信号是一个频率等于期望输出电压频率(50或60 Hz)的正弦波形。

在图3中，显示了简化的正弦调制原理图。通过比较正弦波形和三角载波波形产生开关信号。当正弦电压大于三角电压时，比较器输出高。比较器的输出脉冲被用作前面提到的h桥的门脉冲。

图3:简化的正弦PWM调制原理图

为了得到更好的结果，三角波形与正弦波形的频率比必须为整数N = fC/fS，其中fC为载频(三角波形)，fS为调制频率(正弦波形)。在此条件下，每半周电压脉冲数为N/2。这种效果可以在图4中看到，其中三角形，正弦和PWM输出波形显示。

图4:正弦PWM调制和输出信号

如果对SPWM进行数学分析，调制指数m可以定义为正弦波振幅VS和三角波振幅VC的比值:

调节范围m必须小于等于1.0。如果考虑上述条件，SPWM控制h桥的输出电压为:

其中VDC为逆变器的输入直流电压。

占空比的调制过程设计为等于或小于一个。如果m更高，则存在三角形信号的周期，其中不存在载波和调制信号的交叉点。图5中示出了对输出信号的影响。然而，重要的是要注意，有时使用一定量的过度调制，其目的是获得更高的AC电压幅度。

图5:过调制SPWM

如果在波形质量方面分析SPWM，则必须考虑谐波。SPWM在电压波形中产生多个订单的不同谐波。但是，主导的是订单n和n±2（其中n被定义为fc / fs）。如果考虑过度调制，则输出电压具有更高的谐波内容，作为产生更高电压的折衷。通过改变正弦电压，可以调节输出电压。

固定振幅和频率的三角波形和固定频率(等于输出频率)和可变振幅的正弦波形的概念是本应用笔记中实现的SPWM发生器的基础。

本应用程序中描述和实现的SPWM生成器是基于图6所示的框图。

图6:SPWM框图

SPWM信号的产生需要一个高频三角波形。这个任务是用有限状态机(FSM)/计数器和d型触发器实现的，在图中被称为高频三角形发生器。发电机是基于AN-CM-265可编程限制PWM应用程序注[1]，产生一个占空比三角形变化的PWM。由于需要三角形波形，所以采用低通滤波器来消除方波的甚高频。

使用GreenPAK的模拟比较器将此三角波形与外部低压50或60hz的正弦波形进行比较。通过这种比较，PWM的正弦调制实现如上一节所述。最后，利用逆变器产生SPWM输出的互补信号。

SPWM发生器的输出连接到如图7所示的h桥。

图7:SPWM到h桥连接

如图7所示，SPWM输出及其互补信号连接到同一腿的每个晶体管。H桥的输出包含LC滤波器，因此过滤SPWM的高频分量，最后，将50或60Hz的正弦波形施加到负载。

6 SPWM发生器的实现与配置

SPWM发生器的实现基于SLG46826V GreenPAK[2]。该集成电路包含有限状态机/数字计数器，高速模拟比较器和高频振荡器，可用于产生所需的三角形波形和正弦调制。

该高频三角波形发生器是基于AN-CM-265 Programmable Limits PWM app note[5]。

图8:三角形波形发生器

发电机使用内部25 MHz振荡器，配置为12.5 MHz输出频率。该时钟结合宏单元CNT1和CNT2，产生相应的占空比方波。两个计数器的配置可以在图9和图10中看到。

图9:CNT1配置

图10:CNT2配置

定义两个计数器的计数器数据通过应用表达式产生50khz的PWM:

计数器的相对相位随CNT0/DLY0/FSM0而变化。设置CNT0计数器数据，按下式配置三角占空比变化斜率:

图11：CNT0配置

在这种配置下，三角波形的周期为1 ms，因此得到了1 KHz的三角波形。在本设计中，实现了一个50 Hz的SPWM逆变器，但可以通过改变三角形波形的周期修改为60 Hz或其他频率。

带三角变化的高频PWM连接到pin16，其中对应的外部低通滤波器连接。该滤波器基于一阶RC滤波器，具有1.5 kΩ电阻和10nf电容，因此滤波器的截止频率为10.6 KHz。

如图6框图所示，滤波器的输出连接到高速模拟比较器ACMP0H。ACMP0H的配置如图12所示。

图12:奇数输出控制

此块用于比较pin20和pin3之间的电压。为了获得最佳性能，必须禁用迟滞和带宽限制选项。因此，一个低电压的正弦波形发生器必须连接到pin3，从而得到正弦PWM调制，如图13所示。

图13:调制器框图

为了产生互补信号的PWM输出，3-L1查找表配置为一个逻辑逆变器。

最后，PWM输出连接到引脚5和6。

由于引脚8和9连接GreenPAK IC的I2C模块，需要用上拉电阻将其连接到VDD。

整个SPWM实现图如图14所示。

图14:SPWM生成器实现

7检验与结论

为了测试整个系统的实现，用示波器对整个系统进行了组装和分析。50Hz的正弦波信号是用函数信号发生器产生的，具有相应的幅值和偏移量，可以直接连接到SLG46826V。整个系统如图15所示。

图15:系统实现

为了分析结果，我们记录了负载处的电压波形和SLG46826V引脚5上的输出信号。

在图16中，负载的输出电压显示。可以看出，经过LC Filter后，输出电压呈正弦形状。

图16 SPWM输出电压

在图17中，示出了SLG46826V的引脚5处的SPWM输出信号。它显示了如何通过正弦变化修改其占空比的方式。

图17 SPWM输出信号

8的结论

在本应用笔记中，我们实现了一个正弦脉宽调制发生器。正弦脉宽调制(SPWM)是最广泛使用的方法之一，实现功率逆变器，有用的不同应用，如电机控制和可再生能源应用。亚博国际官网平台网址

有几种实现SPWM的方法。在这个应用笔记中，展示了一个最简单和最常用的方法。描述了SPWM生成的每一步，以及输出端如何连接和过滤。

整个测量系统的尺寸比许多其他实现和概述GreenPAK可以使用和替代其他可编程设备，如微控制器或分立电路。