Wzmacnianie wydajności odwracacza przy użyciu technologii PWM o wysokiej częstotliwości

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Pole: Analiza transformatora

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W miarę jak rośnie popyt na precyzyjną kontrolę w procesach przemysłowych, tradycyjna technologia modulacji szerokości impulsu (PWM) ma trudności z spełnieniem wymagań dotyczących wysokiej dynamicznej wydajności i niskiej harmonicznej distorsji. W przeciwieństwie do tego, technologia wysokoczęstotliwościowa PWM poprawia jakość fali wyjściowej i zmniejsza harmoniki systemowe poprzez zwiększenie częstotliwości nośnej, co optymalizuje wydajność odwzorowaczy. W związku z tym bilansowanie wydajności i niezawodności systemu przy zastosowaniu technologii wysokoczęstotliwościowej PWM stało się kluczowym aspektem rozwoju technologii odwzorowaczy.

1. Podstawowa teoria i charakterystyka techniczna wysokoczęstotliwościowej PWM

Technologia PWM jest podstawową techniką stosowaną w systemach sterowania elektrycznego odwzorowaczy do regulacji napięcia i częstotliwości. Generuje sekwencje impulsów porównując sygnały referencyjne z sygnałami nośnymi i używa tych sekwencji impulsów do sterowania stanami przełączania urządzeń mocy, umożliwiając precyzyjną kontrolę zasilania obciążenia. W sterowaniu odwzorowaczem, współczynnik wypełnienia $D$ PWM można wyrazić w odniesieniu do amplitudy fali referencyjnej $V_{ref}$ i amplitudy fali nośnej $V_{tri}$ następująco:

Stosunek modulacji $m$ definiuje się jako stosunek amplitudy fali referencyjnej do amplitudy fali nośnej.直接影响电机噪声和振动。实验表明，将载波频率从5 kHz提高到20 kHz可以降低电机噪声12-15 dB，并降低温升5-8°C。随着载波频率的增加，PWM输出波形更接近理想的正弦波，总谐波失真（THD）显著降低。在20 kHz的载波频率下，逆变器输出电压的THD降至约5%，这比低频PWM技术通常的8%-12%要好得多。此外，高频PWM还具有更快的动态响应和更高的控制精度等优点。

2. 实施高频PWM的关键挑战及其解决方案

2.1 高开关损耗及缓解方法

高频PWM技术最突出的问题是开关损耗急剧增加。由于功率器件的开关损耗与开关频率成正比，高频操作会导致系统效率降低并对热管理提出更高要求。单个绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块的开关损耗 $P_{sw}$ 可以建模如下：

其中 $E_{on}$ 和 $E_{off}$ 分别是开通和关断的能量损耗； $E_{rr}$ 是反向恢复能量； $V_{dc}$ 是实际的直流母线电压； $V_{ref}$ 是参考电压； $I_{c}$ 是实际电流； $I_{ref}$ 是参考电流。

为了抑制开关损耗，可以采取以下措施：
首先，使用先进的功率器件，如碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFETs），其开关特性优于传统的IGBT；
其次，优化门驱动电路设计，采用双斜率驱动技术，在开关转换期间动态调整门电阻，从而平衡开关速度和电磁干扰（EMI）；
最后，实施软开关技术，如零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）拓扑，以显著降低开关损耗。

2.2 死区时间效应及补偿技术

在高频PWM操作下，虽然绝对死区时间保持不变，但相对于开关周期的比例增加，使得死区时间效应更加明显。这可能导致输出电压失真、低速性能下降以及转矩脉动增加。为了有效缓解这些问题，采用了死区时间补偿算法，表达式为：

3 基于FPGA的高频PWM技术实现方案

3.1 系统架构设计

高频PWM控制对计算平台的实时性和控制精度提出了更高的要求。传统的数字信号处理器（DSP）在实现高频PWM时常常面临计算能力不足和中断延迟显著等问题。相比之下，现场可编程门阵列（FPGA）由于其并行处理能力和硬件级实现的灵活性，更适合此类应用。

基于FPGA的高频PWM控制系统总体架构由四个核心模块组成：主控单元、PWM生成单元、反馈信号处理单元和保护单元。具体来说：

主控单元：执行闭环控制算法，如速度环、电流环和位置环；
PWM生成单元：负责生成高精度的PWM波形并管理死区时间控制；
反馈信号处理单元：处理电流、电压和位置等信号的采集和预处理；
保护单元：检测并响应过流、过压和过温等故障，确保系统安全。

系统采用模块化设计，功能模块通过标准化接口互连。内部，FPGA采用双时钟域架构：控制算法在低频时钟域中运行以减少资源消耗，而PWM生成模块在高频时钟域中运行以确保精确的定时和高分辨率。

3.2 PWM控制算法的优化与实现

为了实现高性能的高频PWM控制，对传统的空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法进行了优化，引入了改进的PWM控制算法，表达式为：

其中 $T_{a}$ 是A相上桥臂的导通时间； $v_{α}$ 和 $v_{β}$ 是在 $α - β$ 坐标系中的参考电压分量。该算法在FPGA中采用流水线架构实现，将复杂的三角函数计算转化为简单的线性运算，显著减少了计算延迟并实现了单周期执行。为了优化死区时间控制，采用了自适应死区时间补偿策略。

3.3 系统性能测试与分析

为了评估所提出的高频PWM实现方案（以下简称“提案方案”）的优越性，将其与传统的基于DSP的实现方案（以下简称“传统方案”）进行比较。测试平台基于Xilinx Artix-7 FPGA和TMS320F28379D DSP构建，使用相同的功率级电路拓扑和功率模块（1200 V/50 A SiC MOSFET）。性能指标包括输出电压总谐波失真（THD）、动态响应时间、功率因数和系统效率。每个测试重复三次，结果取平均值以确保可靠性。

如表1所示，提案方案在大多数指标上显示出显著优势：输出电压THD从8.63%降低到5.33%，提高了38.2%；动态响应时间从428 μs减少到245 μs，减少了42.5%；功率因数从0.91提高到0.98。尽管系统效率仅提高了0.1%，但考虑到基线效率已超过92%，这一边际增益仍然有意义。

进一步测试了提案方案在不同负载条件下的可行性，结果见表2。测试涵盖了电阻负载、电感负载和电机负载。结果显示，提案方案在所有负载类型下均保持稳定性能：输出电压THD的变化仅为0.47%，展示了控制算法的出色鲁棒性；开关损耗保持在125 W至138 W之间，波动仅为10.4%，表明有效的功率管理；温度升高保持在41-45 °C之间，确认了优异的热稳定性。