刘婷张超一刘增
　　
　　(西安交通大学，西安710049)
　　
　　摘要:提出了一种采用英飞凌XE164单片机实现中点电压钳位三电平单相全桥逆变电路拓扑PWM调制的方法。利用XE164单片机中的CCU6捕获比较单元进行载波和调制波的比较,从而实现PWM调制输出三电平逆变电路中各个开关管所需的控制波形。
　　　
　　1电路拓扑及调制方式
　　
　　1.1电路拓扑
　　
　　图1是三电平逆变器电路拓扑(图中开关器件为IGBT)。逆变器采用中点电压钳位三电平单相全桥拓扑,采用每个桥臂载波错相180°调制,输出的等效开关频率是器件开关频率的4倍,从而显著减少滤波电感的体积,而且开关器件只承受直流电源电压的一半,有效地降低了开关损耗。
　　
　　只需经过某种调制方式使左半桥臂4个开关管的门极控制信号(如图2所示),实现AZ之间输出三种电平值的波形(注意,S1与S3的控制波形互补,S2与S4的控制波形互补)。
　　
　　同样使右半桥臂输出一个类似的三电平波形,但是令其与左半桥臂的输出波形之间相差一个相角。这样两者相减之后,便可以使总输出成为含有5个电平值而类似正弦波形状的波形,这就是预期的开环输出,如图3所示。
　　
　　1.2调制方式
　　
　　(1)左半桥臂中开关管S1、S2分别用图4中的三角波作为载波,两者在Y轴方向有一个大小为单倍峰峰值的相位差。与正弦载波进行调制,即可得图3中的Ug1与Ug2波形,然后只需令Ug3与Ug1互补,Ug4与Ug2互补即可。
　　
　　(2)右半桥臂中开关管S5、S6分别用图5中的三角波作为载波。在这里要注意的是,两个桥臂的载波相位相差180°。
　　
　　另外,经过查阅资料,之前有一些文献中是使用其它器件来实现这一调制过程,在这里使用英飞凌公司提供的XE164F单片机来实现。
　　
　　2所用的XE164外设单元
　　
　　主要使用英飞凌单片机的捕获比较单元CCU6来实现三电平电路的PWM控制波形的生成。本款英飞凌单片机一共带有三个CCU6单元,
　　
　　分别是CCU6x(x=0,1,2),每个CCU6单元由带有三路捕获/比较通道的定时器T12模块和带有一路比较通道的定时器T13模块组成。
　　
　　定时器T12是产生三相PWM信号的主要单元。每个捕获比较单元内的T12定时器模块为三路捕获比较通道提供时钟,分别称为CC6x(x=0,1,2),而每个通道又有两路独立的可设置的输出。16位计数器通过比较器和三路通道寄存器相连,当计数器的值和某个通道寄存器的值匹配时,输出匹配信号。它具有16位精度,带有死区事件控制(以避免功率器件短路),支持中心对称PWM生成。以上特性适合于本方案需要的PWM调制策略。
　　
　　3软件实现
　　
　　3.1总体思路
　　
　　在上述原理说明时,将三角波与正弦波进行比较,从而调制出PWM波控制信号。在软件实现上,是用T12定时器的计数寄存器的值代表三角波,用比较寄存器的值代表正弦波,当两者匹配时,比较捕获单元的输出就会自动发生翻转,从而实现了PWM波调制。
　　
　　在本控制方案中,用到两个捕获比较单元CCU60和CCU61,并且使用了每一个捕获比较单元中的CC60和CC61通道,每个通道又带两路输出。总共8路输出,正好对应于拓扑中的8个开关管的控制信号。
　　
　　3.2具体实现
　　
　　首先建立一个400个点的正弦表,然后按照以下的次序进行比较:CCU60单元的CC60通道的计数值与正弦表比较,然后将其两路输出设为互补,就得到了1、3管的控制信号。同样的,CCU60单元的CC61通道的计数值与正弦表比较,就得到了2、4管的控制信号。
　　
　　CCU61单元的CC60通道的计数值与正弦表比较，然后将其两路输出设为互补，就得到了5、7管的控制信号。同样的，CCU61单元的CC60通道的计数值与正弦表比较，就得到了6、8管的控制信号。
　　
　　下面以S1、S2的控制波形的产生为例,具体进行阐释:
　　
　　如图4所示,位于0轴上方的三角波为S1的载波,位于0轴下方的三角波为S2的载波,正弦波为两者公共的调制波。用CCU60来实现这个过程。T12设为中心对称PWM生成模式,输出值为0～N～0这样的序列,代表三角载波。CCU60和CCU61通道寄存器依次载入正弦表的值,最大为M(M<N),代表正弦调制波。
　　
　　这里计数器的值不可能为负,所以在处理S2管的调制过程时,要用到一些灵活变换。
　　
　　(1)S1管控制波形的生成
　　
　　在前半周期,计数值与通道寄存器的值比较。
　　
　　在后半周期,计数值与0比较(后半周期,S1载波瞬时值恒大于调制波)。
　　
　　(2)S2管控制波形的生成
　　
　　在前半周期,计数值与N比较(在前半周期,S2载波瞬时值恒大于调制波)。
　　
　　在后半周期,计数值与通道寄存器的值加上M比较(相当于后半周期,正弦波形整体上移一个正向最大值,这样处理之后,输出是等效的)。
　　
　　然后将CC60以及CC61的两路输出设为互补，就得到了S3和S4的控制波形。同理，可以得到右半桥臂4个开关管的控制波形。这个过程就相当于理论上的PWM调制过程，输出的波形即为预期的波形。
　　
　　4实验结果
　　
　　图6所示的是在直流侧输入电压为50V情况下的实验波形。其中正弦波形为输出交流电流的波形，幅值1A。具有5个电平值的波形即为两桥臂中点电压的输出波形，该波形具有50V、25V、0及-25V、-50V这5个值。可以看出，中点电压钳位三电平单相全桥拓扑确实可行，同时利用英飞凌XE164单片机成功的实现了三电平逆变器的控制。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京,机械工业出版社.
　　
　　[2]英飞凌单片机产品中文说明书.　 

[3]Rodriguez,J,Jih-ShengLai,FangZhengPeng.MultilevelInverters:ASurveyofTopologies,Controls,and Applications[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionsonVolume49,Issue4,Aug

　　
　　[4]BinWu.High-PowerConvertersandACDrives-ShortCourseatXi'anJiaotongUniversity.
　　
　　作者简介
　　
　　刘婷,(1988-),女,硕士研究生,主要研究方向为电力电子专业。
　　
　　张超一,(1987-),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子专业。
　　
　　刘增,(1984-),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电子与电力传动。
　　
　　(此文为“英飞凌杯”太阳能设计应用大赛总决赛获奖选手论文)

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