摘要
仿真是研究系统（包括转换器和控制算法）的可行性和性能的有效方法。在仿真工具中使用代码来实现数字控制可能更灵活，与使用 C2000™ 控制类似。本应用手册介绍如何在仿真工具中实现具有全数字控制功能的单相离网逆变器，并提供了 PMP23338 TI 参考设计中离网控制的验证方法。控制算法中使用了具有 PI 补偿器的电压和电流环路。真 RMS 计算块在电压环路中被配置为输入采样信号。图腾柱调制用于提高基于 GaN 的逆变器或功率因数校正 (PFC) 电路（如 PMP23338）的效率。本应用手册中包含每个块的详细实现和代码，仿真结果用于验证代码和仿真模型的正确性。
商标
C2000™is a TM ofTI corporate name.
PLECS®is a reg TM ofPlexim GmbH.
Other TMs
1 简介
逆变器广泛用于各种应用。例如，光伏逆变器、不间断电源 (UPS) 和车载充电器 (OBC) 利用逆变器将直流电源转换为交流电源。在这些系统中，逆变器性能对整个系统的性能具有重大影响。因此，为了提高逆变器的性能，人们提出并研究了许多拓扑和控制算法。一种初步验证转换器的可行性和性能的有效方法是仿真。此外，数字控制在现实情况下被广泛用于控制功率级，在仿真软件中代码比控制块更加灵活。因此，本应用手册的一个目的是介绍具有数字控制功能的单相离网逆变器的实现，另一个目的是验证具有多环路控制功能的图腾柱调制的性能。在传统控制方法中，电压环路的输入信号直接来自输出端的采样交流电压。但在本应用手册中，输出电压的 RMS 值用作电压环路中的基准值。本应用手册中讨论了该方法的优点。
PMP23338 是 TI 一款具有电表功能的 3.6kW 单相图腾柱无桥功率因数校正 (PFC) 电路参考设计。利用图腾柱无桥结构，该参考设计支持逆变器功能。两个有源半桥构成了该拓扑：一个半桥在低频下工作，另一个半桥在高频下工作。
PMP23338 中的高频半桥由两个 LMG3522R030 器件构成。LMG3522R030 是 TI 的 650V GaN FET，具有集成的驱动器和保护功能。与 Si FET 相比，由于 COSS 较低，GaN FET 的开关损耗要低得多。此外，GaN FET 的独特结构可实现零反向恢复电荷，从而进一步提高 GaN FET 在高频下的性能。
2 逆变器模型概述
2.1 功率级
图 2-1 是逆变器模型的概览，其中 C-Script 表示用于对数据进行采样、计算控制参数并输出 PWM 信号的数字控制器。功率级参数与 PMP23338 参考设计相同，表 2-1 中列出了规格。使用了具有 LC 输出滤波器的传统 H 桥拓扑。TI GaN 器件 LMG352xR030 用于高频电桥，常见的 Si FET 用作低频电桥 (50/60Hz)。
| 参数 | 规格 | 单位 |
|---|---|---|
| 输入电压 | 380 | V |
| 输出电压 | 220 | VRMS |
| 输出电压频率 | 50 | Hz |
| 输出功率 | 3.6 | kW |
| 输出电流 | 16 | ARMS |
| PWM 频率（GaN 电桥） | 100 | kHz |
| PWM 频率（SI 电桥） | 50 | Hz |
图 2-1 逆变器模型概览该模型还提供了开关调制方法接口，仅通过将输出 PWM 信号复制到单极调制块中对单极调制进行修改。
2.2 控制和调制方法
离网逆变器的一种常见控制方法是具有 PI 补偿器的多环路控制。电压环路的输出是电流环路的基准值。该模型中采用了这种常见的控制方法，但电压基准和采样信号是输出电压的 RMS 值。此外，还使用了一个额外的陷波滤波器来使输出电压的 100Hz 纹波振幅衰减。传统电压环路直接使用采样交流电压来产生误差信号。在本应用手册中，使用 RMS 值可以在逆变器需要连接到电网时快速将电压基准切换为直流总线电压，还可以减少采样噪声引起的问题。图 2-2 显示了控制系统的方框图。
图 2-2 控制方法方框图在过去几十年中，人们提出了几种调制方法。双极调制、单极调制和具有多个频率的单极调制广泛用于电流应用。不同的调制方法对电流总谐波失真 (THD) 和共模电压（即电桥中点和中性点之间的电压变化）有不同的影响。不过，本应用手册使用图腾柱调制（也称为“改进版”单极调制）来降低开关损耗，从而优化效率。图腾柱无桥 PFC 结构现在广泛应用于 PFC 电路和逆变器电路，例如 PMP23338。在单极或双极调制中，全部四个开关都在高频率下运行，Si FET 中的开关损耗远高于 GaN FET。因此，如果使用图腾柱调制来实现 Si FET 以低频率运行且 GaN FET 以高频率运行，则图腾柱调制可以充分利用 GaN 的特性，从而降低开关损耗。
图 2-3 图腾柱调制对于低频电桥，开关点位于调制信号的零点处；对于高频电桥，开关点是与锯齿波的交点。表 2-2 显示了使用图腾柱调制的开关状态。
| 参数 | Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | 模式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 正半周期 | 开启 | 关闭 | 关闭 | 开启 | 1 |
| 关闭 | 开启 | 关闭 | 开启 | 2 | |
| 负半周期 | 关闭 | 开启 | 开启 | 关闭 | 3 |
| 开启 | 关闭 | 开启 | 关闭 | 4 |
图 2-4 显示了每种模式的基本运行情况。
图 2-4 每种状态下的运行模式3 使用 C-Script 块实现数字控制
本节介绍使用 C-Script 块实现数字控制的详细过程。采样的影响不包括在内，这意味着所有采样电流和电压都是功率级的原始值。本节介绍如何使用仿真来实现数字控制，并提供将这些代码移植到 C2000 的思路。
3.1 工程结构概述
为了更好地了解 C-Script 处理，图 3-1 对工程结构和 C-Script 函数进行了总体介绍。块中使用了代码声明、启动函数、输出函数和更新函数。有关内置函数和更新逻辑的详细说明，请参阅 PLECS® C-Script 用户手册。
图 3-1 工程结构图在 C-Script 块中，还需要进行一些 C-Script 设置。图 3-2 显示了设置概况。输入数量表示来自功率级的输入信号或由其他块生成的其他信号，输出数量表示输出信号的数量。一个重要的参数是采样时间，其值被设置为 83ns，这意味着频率为 120MHz，与 280039 相同。这也意味着 C-Script 以连续模式进行仿真，与实际的 MCU 处理类似。
图 3-2 C-Script 设置接下来，本文提供了代码函数的简要介绍，全局声明和定义在代码函数中进行。例如，在控制环路中，对电感器电流和输出电压进行采样并需要将其输入到 C-Script 块中，因此在此处使用了内置宏来定义输入信号。所有参数均在该函数中进行初始化。
图 3-3 输入信号定义在代码声明中定义的全局变量在启动函数中进行初始化。
图 3-4 在启动函数代码中初始化的变量例如，电压环路和电流环路基准如图 3-4 所示进行初始化。
更新函数是 C-Script 的主要处理部分。控制环路计算、输出电压采样、锯齿波和正弦波发生器以及死区时间控制都在更新函数中完成。例如，以 20kHz 频率对交流电压进行采样。
图 3-5 更新函数中的交流电压采样代码所需的信号和端口输出在输出函数中设置。此外，PWM 信号也在此定义。例如，图 3-6 显示了如何将第二十个端口输出定义为采样交流电压的 RMS 值。OutputSignal 是内置 C-Script 宏。
图 3-6 输出函数中的声明节 3.2 讨论了不同块的实现。
3.3 多环路控制
如前所述，多环路控制方法广泛用于逆变器控制。本节介绍如何实现多环路控制方法。有关控制方框图，请参阅图 2-2。
3.3.1 具有陷波滤波器的电压环路
3.3.2 具有 PI 补偿器抗饱和功能的电流环路
电流环路在电压环路之后连接。更新速率被设置为 100kHz，因此电感器电流的采样速率也为 100kHz。陷波滤波器的输出信号乘以正弦模块产生的正弦波，从而生成基准电流信号。与电压环路类似，电流误差信号由 PI 补偿器进行处理。为了避免积分过饱和，在 PI 补偿器中使用了抗饱和功能。图 3-10 显示了电流环路的代码。
图 3-10 电流环路代码3.3.3 正弦波和锯齿波发生器
在 PLECS 中，会针对每个采样阶跃处理更新和输出函数。因此，设计人员可以将采样时间视为系统时钟，使用计数器以适当的频率生成这些信号。对于正弦波发生器，首先创建一个数组，并使用以正弦方式变化的数值初始化该数组。该数组被设置为 2000，从而与电流环路工作频率相对应。
图 3-11 正弦波发生器逻辑与锯齿波发生器中的逻辑相同。图腾柱调制的一个重要方面是需要生成两个锯齿信号；一个用于正周期，另一个用于负周期，以便生成适当的 PWM 信号，如图 2-3 所示。这两个载波信号的振幅分别为 0 至 1 和 0 至 -1。值得一提的是，由于使用了一个振幅为 –1 至 1 的锯齿信号来生成 PWM 信号，因此需要 2 个信号。当误差信号接近于零时，最低占空比为 50%，正确的占空比应该接近于零。此外，上限也被设置为 12 并除以 120，从而设置系统时钟下的正确频率。图 3-12 显示了锯齿波发生器代码。
图 3-12 锯齿波发生器