在功率電子中,，根據(jù)特定應(yīng)用，已經(jīng)成功地采用了幾種脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案,。大多數(shù)傳統(tǒng)PWM方案（本質(zhì)上是確定性的）生成預(yù)定的諧波含量,。這可能會在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生許多問題，如噪聲,、無線電干擾和機(jī)械振動,。在需要減輕對環(huán)境和其他設(shè)備的干擾的應(yīng)用中，例如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器,、牽引驅(qū)動器、電動汽車,，傳統(tǒng)的PWM方案因自身原因不能高效地運(yùn)行,，需要添加如電磁干擾（EMI）濾波器等附加設(shè)備。有一種方法可以應(yīng)對這些問題,，就是增加傳統(tǒng)PWM方案的開關(guān)頻率,，即> 18kHz。不過,，這會導(dǎo)致開關(guān)損耗顯著增加,。在這種應(yīng)用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制（RPWM）可以有效地減輕這些問題,，且不用顯著增加開關(guān)頻率,。

在RPWM中，每個開關(guān)脈沖的寬度隨機(jī)變化,。這導(dǎo)致諧波簇在很大范圍內(nèi)擴(kuò)散,，從而減小了單獨(dú)濾波器的尺寸，或完全避免在某些應(yīng)用中使用濾波器,。RPWM技術(shù)已成功用于許多功率電子應(yīng)用中,，例如 在需要檢查噪聲的工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動器中。

通常,，使用DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)用于復(fù)雜商用系統(tǒng)的高頻PWM和RPWM信號,。不過,，這些器件更通用、功能更強(qiáng)大,、且更靈活,，自然也就比較貴。使用低成本的Dialog CMIC可以滿足RPWM生成所需的相似精度和高頻時序要求,。許多合適的RPWM方案,，尤其是開環(huán)應(yīng)用，可以用Dialog CMIC來實(shí)現(xiàn),。因此,，嵌入式DSP、MCU或FPGA的顯式編程或編碼可以由GreenPAK? designer中提供的簡單接口所取代,。此外,，整個控制電路的尺寸也會顯著減小。

有幾種方法可以為三相逆變器應(yīng)用生成RPWM,。此應(yīng)用筆記中,，我們介紹了一種合適的RPWM技術(shù)，它可以使用現(xiàn)成的GreenPAK CMIC資源來實(shí)現(xiàn),。RPWM技術(shù)使用雙矩陣CMIC SLG46620實(shí)現(xiàn),。還提供了適當(dāng)?shù)睦碚摻ㄗh和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括輸出電壓波形及其諧波含量,，可以證明所建議的策略是合理的,。

建議的RPWM方案

驅(qū)動三相逆變器的RPWM方案的框圖如圖1所示。

圖1：建議方案的框圖

兩個鋸齒信號,，標(biāo)記為p2和p3（值范圍：0-1）,，相位相差180°C，與恒定值p1（值范圍：0-1）進(jìn)行比較,，得出標(biāo)記為p5和p6的不同類型的脈沖,。p5和p6脈沖的波形如圖2和圖3所示。采用圖4所示波形的二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（標(biāo)記為p4）,，使用上面框圖中所示的邏輯運(yùn)算符從信號p5和p6中隨機(jī)選擇一個脈沖,。這會生成一系列脈沖p10，如圖5所示,。信號p10通過AND門,，同樣的還有脈沖發(fā)生器1到6所生成的10ms長脈沖，標(biāo)記為p11,、p12,、p13、p14,、p15和p16,。請注意,，對于完整的180?C導(dǎo)通模式，脈沖發(fā)生器的輸出脈沖相對于彼此有60?C的相位差,。最后,，在AND操作之后，信號p17,、p18,、p19、p20,、p21和p22成為三相逆變器的功率級中采用的功率開關(guān)的柵極驅(qū)動信號,。

根據(jù)施加的柵極信號接通和斷開開關(guān)（通常是MOSFET或IGBT），以獲得逆變器輸出端的三相平衡電壓波形,。

圖2：RPWM方案中幾個階段的模擬信號波形

在Matlab/Simulink環(huán)境中對50 Hz（基波）RPWM三相逆變器系統(tǒng)進(jìn)行仿真,，相間輸出波形如圖3所示。輸出電壓波形有效地由隨機(jī)信號p10調(diào)制,，并實(shí)現(xiàn)120 ?C 的相移,。

圖3：模擬的輸出相間電壓波形

參考值的選擇

參考信號p1提供了一種根據(jù)主觀聲響應(yīng)控制特定應(yīng)用的逆變器輸出的頻譜內(nèi)容的方法。從1到0.5的參考值變化使頻譜內(nèi)容變平,，從而減輕了開關(guān)頻率倍數(shù)處的尖峰,。不過，這也降低了信號基波分量的幅度,。圖4顯示了對于Vdc = 312V和載波頻率= 12.5kHz,，輸出相間電壓的頻譜內(nèi)容如何在參考值從p1 = 0.8減小到p1 = 0.5時發(fā)生變化。

圖4：頻譜隨參考值的變化而變化

不推薦將參考值進(jìn)一步降低到0.5以下,，因?yàn)殚_關(guān)頻率的倍數(shù)尖峰開始增多，而且基波分量也會降低,。

GreenPAK 設(shè)計

圖5：SLG46620在RPWM方案中的角色

圖5顯示了Dialog CMIC SLG46620如何在整個方案中發(fā)揮功能,。CMIC的基本操作是生成隨機(jī)PWM調(diào)制信號，該信號施加在逆變器功率級中使用的開關(guān)裝置的柵極端子處,。

圖6：設(shè)計矩陣0

圖7：設(shè)計矩陣1

逆變器輸出電壓的基頻選擇為50 Hz,。選擇SLG46220是因?yàn)樗峁┝俗銐虻馁Y源來執(zhí)行預(yù)期的設(shè)計。矩陣0和1設(shè)計分別如圖6和圖7所示,。在矩陣0中,，通過以級聯(lián)（concatenated）方式連接DFF，并在反饋環(huán)路中使用異或門生成偽隨機(jī)信號（PBRS）P0,，如圖6所示,。DFF由來自振蕩器模塊OUT0的12.5kHz時鐘信號驅(qū)動。

對于鋸齒載波信號的生成,，建議使用FSM塊,。在UP = 0的設(shè)定模式下配置的FSM0和FSM1分別由計數(shù)器CNT1/DLY1和CNT3/DLY3饋送,，生成頻率為1.6875MHz的脈沖。兩個FSM中的計數(shù)器值設(shè)置為134（輸出周期80 us）,，以實(shí)現(xiàn)所需的12.5 kHz分立鋸齒信號,。為了在兩個鋸齒信號之間實(shí)現(xiàn)180 °C相移，在FSM1使用由CNT9/DLY9饋送的管道延遲40μs后,，啟用FSM0,。  

兩個鋸齒波載波信號通過FSM0和FSM1的Q字節(jié)輸出端口饋入DCMP0和DCMP1，與恒定參考信號（在寄存器DCMP0和DCMP1內(nèi)配置）進(jìn)行比較,，如圖7所示,。由于計數(shù)器運(yùn)行達(dá)到值134，參考值相對于134給出,，例如67等于0.5（67/134）的值,。兩個DCMP（p5和p6）的輸出進(jìn)一步與來自LFSR（p4）的輸出信號及其反相值（p7）一起傳遞到兩個AND門。向或門饋入這些AND門的輸出,，以隨機(jī)獲得DCMP的兩個輸出之一,。或門的輸出（p10）還進(jìn)一步用于調(diào)制逆變器的驅(qū)動信號,。

計數(shù)器CNT0 / DLY0被配置為生成周期為10ms的脈沖,，以便生成50Hz頻率（基波）的輸出電壓。這些脈沖被饋送到以反相模式配置的DFF,，輸出反饋到輸入,，以生成50Hz方波脈沖序列。為確保標(biāo)記為p11至p16的輸出脈沖相位相差60 °C,，建議使用管道延遲模塊,。將計數(shù)器CNT5/DLY5、CNT6/DLY6和CNT7/DLY7級聯(lián)以提供周期為3.33ms的脈沖,。這些脈沖通過非門饋入管道延遲,，因?yàn)楣艿姥舆t通過計算輸入上升沿的數(shù)量產(chǎn)生延遲，而計數(shù)器通過復(fù)位輸入復(fù)位為0,，生成重復(fù)的下降沿,，周期為3.33 ms。輸出0和1的管道延遲分別為輸入脈沖提供3.33 ms和6.66 ms的時間延遲,。三個信號,，即管道延遲的輸入和兩個延遲輸出，被進(jìn)一步反相,，以提供彼此相移60°的共6個脈沖（p11-p16）,。這些50 Hz、60?C相移脈沖與隨機(jī)脈沖序列（p10）一起進(jìn)一步被傳遞到AND門，為3相逆變器提供最終驅(qū)動信號,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們開發(fā)了圖8中描繪的硬件原型,，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的RPWM方案。為確保同一支路中的兩個開關(guān)不會同時打開,，我們在硬件中生成了一個死區(qū),。

圖8：原型硬件

圖9：放大的相間輸出電壓波形

圖10：參考值為0.8的Vab、Vac和FFT

圖11：參考值為0.5的Vab,、Vac和FFT

圖9顯示了輸出相間電壓的放大波形,。很明顯，波形是根據(jù)需要隨機(jī)調(diào)制的,。

在圖10中,，顯示了輸出相間電壓信號Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）。此外,，還顯示了參考值≈0.8（107/134）的Vab（紅色）的FFT圖,。盡管頻譜中的擴(kuò)展是明顯的，但是如理論所示,，觀察到兩倍于開關(guān)頻率的尖峰,，即25kHz。

圖11顯示了參考值= 0.5（67/134）時的輸出相間電壓信號Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）以及Vab（紅色）的FFT圖,?？梢钥吹筋l譜變得更平坦，而且實(shí)現(xiàn)了顯著的擴(kuò)散,。

總結(jié)

可以使用不同的技術(shù)生成用于三相逆變器的RPWM信號,，通常在工業(yè)應(yīng)用中使用較貴的DSP和FPGA來實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。在本應(yīng)用筆記中,，我們介紹了使用低成本Dialog SLG46620 CMIC實(shí)現(xiàn)針對三相逆變器應(yīng)用的RPWM生成技術(shù),。通過恰當(dāng)?shù)哪M和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)確定所提出的技術(shù)是有效的,，SLG46620 IC提供了足夠的資源來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果,。