載波移相多電平PWM研究

1 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)和電力半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，中壓大功率傳動(dòng)設備不僅提高了資源的利用率，同時(shí)還降低了生產(chǎn)的成本，雖然其電路的拓撲結構和控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多電平技術(shù)的研究仍備受大家的關(guān)注。多電平技術(shù)避免了器件的直接串聯(lián)，具有輸出電壓高，諧波含量低，電壓變化率小，開(kāi)關(guān)頻率低等優(yōu)點(diǎn)。多電平技術(shù)實(shí)現的關(guān)鍵在于如何實(shí)現大量的SPWM控制信號。

SPWM法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過(guò)改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

2 總體設計方案

2.1單元串聯(lián)多電平變頻器拓撲結構介紹

單元串聯(lián)多電平變頻器的拓撲結構簡(jiǎn)單，易于模塊化，可以根據系統對輸出電壓、電平數的要求確定功率單元的級數。如圖1所示，七電平H橋串聯(lián)逆變器拓撲結構圖，其單相電壓是由三個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元均為H橋逆變電路結構，輸出端依次串聯(lián)在一起，并利用SPWM信號控制功率單元中開(kāi)關(guān)器件的通與斷。

2.2載波移相控制理論

一般來(lái)說(shuō)，N電平的逆變器調制，需要N-1個(gè)三角載波。移相載波調制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個(gè)相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

（1）

通過(guò)調制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)信號。

但在數字化實(shí)現中，載波移相法一般不是由一個(gè)調制波和一組經(jīng)過(guò)相移的載波比較生成，而是由調制波和一個(gè)載波進(jìn)行比較之后，再進(jìn)行一定的延時(shí)得到各個(gè)功率單元的SPWM控制信號。

采用DSP+CPLD來(lái)完成多路SPWM控制信號的實(shí)現。其中由DSP控制器實(shí)現單相電壓中的第一級功率單元兩橋臂控制信號，并由CPLD來(lái)實(shí)現對這兩路控制信號的移相延時(shí)，進(jìn)而實(shí)現單相電壓中各個(gè)功率單元的SPWM控制信號。系統原理框圖如下圖2所示

3 DSP控制部分

DSP控制部分主要任務(wù)是實(shí)現單相電壓中第一級功率單元的兩路控制信號。如圖3所示，這兩路控制信號分別控制左橋臂Q1和右橋臂Q3兩開(kāi)關(guān)器件的通與斷，Q2和Q4控制信號分別為Q1和Q3信號的互補信號，Q1和Q2、Q3和Q4信號間需要增加一定的死區延時(shí)時(shí)間。

功率單元左橋臂Q1的控制信號當參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q1導通，Q2截止；反之，輸出低電平，Q1截止，Q2導通。Q1信號取反后得到Q2信號。左橋臂Q3的控制信號由互差180的三角載波與參考波比較得到，當參考波大于載波時(shí)，輸出高電平，Q3導通，Q4截止；反之，輸出低電平，Q3截止，Q4導通。Q3信號取反后得到Q4信號。載波與參考波的比較過(guò)程參考圖4，兩橋臂控制信號的實(shí)測波形如圖5。

對以上內容的分析，在本系統中采用了DSP TMS320F2812作為該部分的控制核心其內核為32位，運行速度可以達到150MIPS，同時(shí)其有6路獨立的PWM輸出、2個(gè)異步串行通訊口、16通道12位AD輸入，內置了36K的RAM和256K的Flash存儲器，在主控制電路中，只需要在該DSP的基礎上配合一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現所需的6路SPWM控制信號。

4 CPLD控制部分

CPLD控制部分主要任務(wù)是對第一級功率單元H橋左、右橋臂控制信號進(jìn)行移相，進(jìn)而得到以后各級功率單元的左、右橋臂的控制信號。該部分設計的關(guān)鍵是信號的邊沿檢測和移相延時(shí)兩部分。如下圖6所示，首先，CPLD對SPWM進(jìn)行邊沿信號檢測，當檢測到上升沿（或下降沿）到來(lái)后，再進(jìn)行Td時(shí)間的延時(shí)，最后輸出置1（或0）。

邊沿信號檢測可以利用邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器去檢測上升沿或下降沿，但是這種方式對于邊沿的檢測過(guò)于敏感，系統中的一個(gè)尖峰干擾將會(huì )導致邊沿檢測的誤判，我們進(jìn)行多次采樣，比較前后幾次采樣的結果，再來(lái)判別邊沿是否到來(lái)。

移相延時(shí)部分最重要的是對延時(shí)時(shí)間的選擇，延時(shí)時(shí)間長(cháng)或短都會(huì )影響到系統的性能，本設計中，第二級功率單元的延時(shí)時(shí)間根據公式（2）計算得到：

（2）

其中， 為三角載波頻率，N為逆變器輸出電平數。

經(jīng)過(guò)CPLD移相后，A相三個(gè)功率單元的左橋臂控制信號如下圖7所示，第一級功率單元的輸出如圖8，圖9是A相三個(gè)功率單元輸出疊加后的波形。

利用DSP和CPLD相結合的方法實(shí)現載波移相多電平PWM，使單元級聯(lián)型多電平技術(shù)變得更加模塊化，同時(shí)使產(chǎn)品的升級變得更簡(jiǎn)單化。不需要改變DSP中的程序，也不需要改變DSP部分的硬件電路設計，只需要改變CPLD中Td的時(shí)間，并相應的增加兩路輸出即可。

5 總結

多電平技術(shù)的發(fā)展，需要能夠產(chǎn)生大量的PWM信號的控制器，但傳統的控制器只能提供6路PWM信號，遠不能滿(mǎn)足要求，仍需要更改大量的代碼，進(jìn)行長(cháng)期的調試等等，延長(cháng)了產(chǎn)品上市的時(shí)間。為此本文設計了基于DSP+CPLD的載波移相多電平PWM實(shí)現的方案，該方案不僅可以輸出18路PWM信號，而且稍加修改便可以輸出24路、36路等更多路PWM信號。