术语和定义

参考文献

对于相关的文件和软件，请访问：

//www.xmece.com/configurable-mixed-signal．

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1. GreenPak Designer软件，软件下载和用户指南，对话框半导体yabo国际娱乐
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4. GreenPak应用笔记，格林帕克应用笔记网页，Dialog半导体yabo国际娱乐
5. AN-CM-265可编程限制PWM，应用笔记，对话框半导体。yabo国际娱乐
6. SLG46826V.，数据表，对话框半导体。yabo国际娱乐

作者：ING。Alberto I. Leibovich＆Phd Ing。Pablo E. Leibovich.

这篇文章最初发表于edn.．

介绍

可再生能源继续是世界各地的一个巨大趋势。随着收集风能、太阳能和其他形式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变得更有吸引力。事实上，2016年，全球可再生能源的货币投资跌至数年来的最低水平，同时，可再生能源安装数量打破了该年度的最高记录。随着成本和发展的权衡变化如此之大，进一步创新的市场正在蓬勃发展。

在用于可再生能源资源的组件中，逆变器作为一个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在直流电中产生的，因此逆变器在将直流电转化为交流电、有效集成到现有电网中起着关键作用。在混合电力系统(结合不同的可再生资源)和微电网系统中，逆变器的使用是必不可少的。

可再生能源逆变器在使用单相和三相电动机和其他旋转机器的工业应用中起作用。亚博国际官网平台网址可变频率和电压（从逆变器获得）是这种类型的自主控制原理。

为了实现电力转换，DC-AC逆变器通常应用脉冲宽度调制（PWM）技术。PWM是一种有用的技术，其中根据可变宽度的脉冲控制等功率MOSFET的开关。为了获得自动控制和调节，PWM技术用于在独立于输出负载的标称值下维持逆变器（及其频率）的交流电压输出。

已经开发出许多研究和技术来获得来自逆变器控制系统的更好的反应。传统的逆变器根据负载的变化改变输出电压。为了降低输出电压的灵敏度，通过改变以相对高频率产生的脉冲的宽度来调节基于PWM的逆变器通过改变产生的脉冲的宽度来调节输出电压。结果，输出电压取决于开关频率和脉冲宽度，其根据连接在输出端的负载的值而变化。利用这种类型的调节，逆变器提供恒定的标称电压和与输出功率无关的频率。

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低，是任何调制技术评估中考虑的主要因素。经过多次试验分析，正弦脉宽调制(SPWM)作为PWM逆变器的调制方法在电力电子领域得到了广泛的应用。

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。亚博国际官网平台网址为了简化这一概念，本文对单相模型进行了分析。单相设计包括开关h桥每臂上的晶体管或igbt，当开关关闭时使用反平行自由轮二极管放电。其原理图如图所示图1．

晶体管（通常功率MOSFET）被识别为S1，S2，S3和S4。交替交换机使得相同臂的两个晶体管不同时导通或打开，从而防止短路。

为了产生负载中的交流电，晶体管在一对中操作（S1和S2导电，S3和S4打开或反之亦然）。表I显示了不同的交换阶段和施加的电压到负载。

S1	S2	S3	S4	v
在	在	离开	离开	+ VDC.
离开	离开	在	在	直流

方波逆变器(也称为基本逆变器)由两个相相反的方波运行，其频率等于输出端的期望频率。其中一个波作用于S1和S2，另一个波作用于S3和S4。图2如果使用这种类型的逆变器，则显示PWM控制信号和负载中获得的电压。

PWM基于恒定幅度脉冲的产生，通过改变占空比来调制脉冲持续时间。参考或调制信号是所需的信号输出（在逆变器的输出处的电压波形的情况下正弦，并且载波信号必须具有远大于调制的频率。这是使用正弦PWM（SPWM）作为PWM逆变器调制方法的主要原因。

SPWM特征

SPWM调制基于每个周期的不同占空比的恒定幅度脉冲。通过调制载波获得脉冲的宽度以获得所需的输出电压并降低其谐波含量。

SPWM的载波信号通常是具有高频率的三角波，通常在几kHz中。SPWM的调制信号是频率等于期望的输出电压频率（50或60Hz）的正弦波形。

在图3，示出了正弦调制的简化示意图。通过比较正弦波形和三角形载波波形来产生切换信号。当正弦电压大于三角电压时，比较器输出高。比较器的输出脉冲用作上一节中呈现的H桥的栅极脉冲。

为了获得更好的结果，三角形和正弦波形之间的频率比必须是整数n = fc / fs，其中Fc是载波频率（三角波形），FS是调制频率（正弦波形）。在这种情况下，每半周期的电压脉冲数导致n / 2。可以看到这种效果图4，示出了三角形，正弦和PWM输出波形。

如果对SPWM进行数学分析，可以将调制指数m定义为正弦波(VS)与三角波(VC)的幅值之比:

对于调节范围，M必须等于或小于1.0。如果考虑了先前的条件，则由SPWM控制的H桥的输出电压导致：

其中VDC是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。

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。

具有固定幅度和频率和正弦波形的三角波形的这些概念，具有固定频率（等于输出频率）和可变幅度是本应用笔记中实现的SPWM发生器的基础。

在此应用笔记中描述和实现的SPWM发生器基于所示的框图图6．

需要高频三角形波形以产生SPWM信号。此任务用有限状态机（FSM）/计数器和D型触发器实现，并在图中称为HF三角生成器。发电机基于AN-CM-265可编程限制PWM App Note，产生具有占空比的三角形变型的PWM。作为需要三角波形，应用低通滤波器以消除方波的非常高频率。

这个三角波形与外部低电压50或60赫兹正弦波与GreenPAK的模拟比较器进行比较。通过这个比较，PWM的正弦调制被实现如前一节所述。最后，使用逆变器产生SPWM输出的互补信号。

SPWM发电机的输出连接到如图所示的h桥图7．

从中看到的图7， SPWM输出及其互补信号分别连接到同一支路的每个晶体管上。h桥的输出包含一个lc滤波器，因此对SPWM的高频分量进行滤波，最后将50或60 Hz的正弦波形施加到负载上。

SPWM发电机的实现与配置

SPWM发生器的实现基于SLG46826V GreenPak。该IC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波形和正弦调制。

该高频三角波形发生器是基于AN-CM-265可编程限制PWM应用笔记[5生成器的实现可以在图8．

发电机使用内部25 MHz振荡器，配置为输出频率为12.5 MHz。该时钟与宏小区CNT1和CNT2组合，产生具有所需占空比的相应方波形。可以看到两个计数器的配置图9和图10．

两个计数器的计数器数据被定义为通过应用表达式生成50 kHz的PWM：

计数器的相对相由CNT0 / DLY0 / FSM0变化。通过在等式之后设置CNT0计数器数据来配置三角占空比变化的斜率：

利用这种配置，三角形波形具有1ms的周期，因此获得1kHz三角形波形。在该设计中，实现了50Hz SPWM逆变器，但可以通过改变三角波形的时段来修改60Hz或其他频率。

具有三角形变型的高频PWM连接到引脚16，其中相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1.5kΩ电阻和10 NF电容，因此滤波器的截止频率为10.6 kHz。

过滤器的输出，如框图所示图6，连接到高速模拟比较器ACMP0H。ACMP0H的配置如图所示图12．

此模块用于比较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，必须将一个低压正弦波形发生器连接到PIN 3上，才能得到正弦PWM调制，如图所示图13．

为了生成PWM输出的互补信号，3-L1查找表配置为逻辑变频器。

最后，PWM输出连接到引脚5和6。

由于引脚8、9连接GreenPAK IC的I2C模块，需要用上拉电阻连接到VDD。

整个SPWM实现图显示在图14．

测试和结论

为了测试实现，用示波器对整个系统进行了组装和分析。50Hz的正弦波信号由函数信号发生器产生，具有相应的幅值和偏置，可以直接连接到SLG46826V上。整个系统如图15所示。

为了分析结果，记录了SLG46826V的销5上的负载处的电压波形和输出信号。

在图16时，所示为施加于负载的输出电压。可以看到，LC滤波器后的输出电压呈正弦形状。

在图17，给出了SLG46826V引脚5处的SPWM输出信号。它显示了输出如何用正弦变化改变其占空比。

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)是实现功率逆变器最广泛使用的方法之一，适用于不同的应用，如电机控制和可再生能源应用。亚博国际官网平台网址

有几种实施SPWM的方法。在此应用笔记中，显示了最简单和最使用的方法之一。描述了SPWM生成的每个步骤以及它如何在输出处连接和滤波。

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