基于TMS320F2812的三電平逆變器載波調制方法研究

摘要：主要對二極管箝位型三電平逆變器的拓撲與控制進(jìn)行了研究，并以此作為進(jìn)一步研究的基礎，對三電平NPC逆變器的載波同相層疊和反相層疊PWM控制方法進(jìn)行了分析，同時(shí)對兩種載波層疊方式下輸出電壓的諧波特性進(jìn)行了比較，分析了其工作機理和調制算法，在此基礎上對基于三角載波層疊式調制算法的實(shí)現進(jìn)行了改進(jìn)，然后利用Matlab／Simulink仿真軟件實(shí)現了調制算法的仿真驗證，給出了基于先進(jìn)TMS3-20F2812DSP設計改進(jìn)的三角載波層疊式調制方法的控制程序。結果表明，該調制算法非常適用于新型DSP數字化控制軟件的實(shí)現，控制性能穩定，能獲得帶死區功能的控制脈沖。
關(guān)鍵詞：三電平逆變器；二極管箝位；載波層疊式PWM

O 引言
二極管中點(diǎn)箝位三電平(NPC)逆變器是一種開(kāi)發(fā)最早、較為成熟的多電平逆變器拓撲，目前已廣泛應用于高壓變頻調速、柔性輸配電系統及高壓直流輸電系統等場(chǎng)合。NPC逆變器的控制方式有多種，如雙極性正弦脈寬調制、三角載波層疊式SPWM、電壓空間矢量脈寬調制(SVPW-M)、特定諧波消除脈寬調制(SHEPWM)等。通過(guò)這些控制方式，NPC逆變器可得到單相三電平或線(xiàn)電壓五電平的輸出電壓，可以較好地解決開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)容量間的矛盾。
正弦波脈寬調制技術(shù)目前已經(jīng)得到非常普遍的應用。眾所周知，多電平逆變器的性能很大程度取決于所采用的控制策略。基于載波的PWM技術(shù)來(lái)源于兩電平SPWM技術(shù)，其最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現簡(jiǎn)單。它既可以模擬實(shí)現，又可以數字實(shí)現，特別是當電平數越高時(shí)，與空間矢量調制(SWPWM)相比，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。
本文分析了基于三角載波層疊式SPWM技術(shù)的工作原理。并通過(guò)Matlab／Simulink仿真軟件對調制算法進(jìn)行了仿真驗證。在此基礎上提出了一種便于實(shí)現且適用于三電平逆變器的簡(jiǎn)化型三角載波調制策略。文中詳細介紹了控制算法的原理，導出了占空比計算公式，并利用TMS-320F2812DSP完成了控制軟件的編寫(xiě)。最后通過(guò)脈沖波形圖驗證了上述三電平逆變器調制策略的正確性，為以后的系統級實(shí)驗奠定了基礎。

1 三電平拓撲結構與調制原理
三電平逆變器有多種拓撲形式，其中“二極管箝位(Diode-Clamped)逆變電路”是多電平逆變電路拓撲中發(fā)展最早的一種，又稱(chēng)為中點(diǎn)箝位逆變電路(Neutral Point Clamped)。它由日本學(xué)者A．Nabae最早提出，這種電路在兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)的基礎上加入了一對中性點(diǎn)箝位二極管構成?？赏ㄟ^(guò)對每項4個(gè)開(kāi)關(guān)主管的控制得到三電平的控制電壓輸出。

圖l所示是一種二極管箝位式三電平逆變器的拓撲結構?？梢钥闯?，三電平逆變器每一相需要4個(gè)主開(kāi)關(guān)管Tl～T4、4個(gè)反并聯(lián)的續流二極管Dl～D4、2個(gè)箝位二極管Dl和D2、2個(gè)支撐電容C1和C2。其中，電容C1和C2為變換電路提供了2個(gè)相同的直流電壓，Ed／2為一組電容兩端電壓，0為中性點(diǎn)，所有二極管都要求與功率開(kāi)關(guān)有相同的耐壓等級，平均每個(gè)主管承受的正向阻斷電壓為Ed／2；輸出相電壓定義為輸出端(U、V、W)與中性點(diǎn)0之間的電壓。
正弦波脈寬調制技術(shù)目前實(shí)際上已經(jīng)得到非常普遍的應用。根據兩個(gè)三角載波的相位關(guān)系，三角載波又可以分為載波反相層疊PWM控制法(即兩個(gè)三角載波的相位相反)和載波同相層疊PWM控制法(即兩個(gè)三角載波的相位相同)?，F以圖1所示的三相二極管三電平逆變器的a相橋臂為例，其載波反相層疊PWM控制方法的工作波形如圖2所示。