CPSDSPWM調制方法在H橋多電平變流器中的應用

隨著(zhù)大功率自關(guān)斷器件和智能高速微控制芯片的不斷發(fā)展，大功率電力電子變流裝置得到了越來(lái)越深入的研究，在大容量電機驅動(dòng)、交直流電力傳輸等場(chǎng)合的應用范圍也越來(lái)越廣泛了。在大功率電力電子變流裝置的實(shí)現上，一個(gè)重要的問(wèn)題就是大功率器件的工作頻率較低，無(wú)法適應PWM技術(shù)等優(yōu)秀的調制技術(shù)。載波移相正弦波脈寬調制技術(shù)(Carrier phase-shifted SPWM，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CPS-SPWM)是為了解決該問(wèn)題而提出的新技術(shù)。

田納西大學(xué)的Peng F.Z.等人于1996年提出了級聯(lián)H橋型變流器的拓撲結構，并用于無(wú)功補償[1]。級聯(lián)H橋變流器主電路拓撲結構如圖1所示，由N個(gè)單相全橋模塊在交流側串聯(lián)構成一相橋臂對，直流側相互獨立，如圖1(a)所示。由3個(gè)橋臂對通過(guò)Y型或者△連接構成三相系統，如圖1(b)所示便為Y型接法示意圖。相對于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，這種級聯(lián)H橋型變流器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)各變流器單元結構相同，容易實(shí)現模塊化設計、安裝、維修;

2)直流側相互獨立，電壓均衡容易實(shí)現;

3)各變流器單元工作對稱(chēng)，開(kāi)關(guān)負荷平衡。

在電壓型變換電路中.輸出的交流電壓為矩形波。早期常用多重化技術(shù)把幾個(gè)矩形波輸出組合成逼近正弦波的波形。以提高容量、減小諧波對于Lx個(gè)三相變流電路單元(每個(gè)單元三相，此處用Lx表示多重化中三相變流器的單元數，以和下面N表示H橋的單元數區分，本文以每3-H橋為一個(gè)單元)，將其輸出波形的相位各錯開(kāi)π/(3Lx)，連同抵消它們之間相位差的變壓器(移相變壓器)，可以構成脈波數為6Lx、的變流器系統。輸出波形中包含6kLx±1(k為正整數)次的諧波。但多重化技術(shù)存在以下不足：結構復雜，系統動(dòng)態(tài)響應差;各裝置輸入/輸出波形須錯開(kāi)一定的相位，造成基波損失。

多電平組合變流器是采用CPS—SPWM技術(shù)和多重化技術(shù)相結合的變流器。該類(lèi)變流器等效開(kāi)關(guān)頻率高、開(kāi)關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)響應快、通頻帶寬，便于采用不同的控制策略。H橋型拓撲在多電平變流器的基本拓撲中，具有結構簡(jiǎn)單、需要最少數量的器件、不需要大量的鉗位二極管和飛跨電容、易于模塊化和采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹H橋的幾種基本結構及其級聯(lián)形式，并以級聯(lián)3-H橋為例.用TMS3201LF2407 DSP發(fā)出控制三相單模塊和單相兩模塊H橋的脈沖信號，使之分別輸出三相三電平和單相五電平。頻譜分析表明只含有開(kāi)關(guān)整倍次及其邊帶諧波，和理論分析的完全一致。

1 H橋拓撲結構

H橋多電平變流器的基本結構有兩種：一種為三電平H橋(3-LeveL H-hridge.3-H)，另一種為五電平H橋(5-LeveL H-bridge，5-H)。其中，五電平H橋又包括二極管鉗位型和電容鉗位型兩種。3-H橋變流器的基本單元如圖1所示，這個(gè)基本單元可產(chǎn)生3電平輸出：同時(shí)導通S1和S3或S2和S4，就可在兩橋臂間產(chǎn)生極性相反的電平;當同時(shí)導通S1和S2或S3和S4時(shí).則輸出零電平。

5-H橋變流器的基本單元如圖2所示.以一極管鉗位型為例來(lái)說(shuō)明其電平生成情況、圖2(a)所示5-H單元由全橋式中點(diǎn)鉗位式電路組成，適當改變逆變器中晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，a點(diǎn)和n點(diǎn)可跟d0，d1和d2相連。假設直流側電壓Vdc為2E，電容上的電壓為Vdc/2。5-H橋基本單元輸出電壓Van可以有五種不同的取值：-2E，-E，0，E和2E。在這個(gè)拓撲中，電容上的電壓可以通過(guò)對冗余狀態(tài)的選擇保持平衡。

以圖1及圖2中的基本電路單元為基礎，可以得到圖3所示的級聯(lián)3-H變流器和圖4所示級聯(lián)5-H變流器。由3一H級聯(lián)而成的電壓型變頻器已由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專(zhuān)利，取名為完美無(wú)諧波變頻器。根據系統對輸出電壓，電平數的要求可決定級聯(lián)的單元數。級聯(lián)3-H橋型變流器有很多優(yōu)點(diǎn)：獲得同樣電平數輸出時(shí)，使用的元器件最少;每個(gè)變流器單元的結構相同，容易進(jìn)行模塊化設汁和封裝;各變流器單元之間相對獨立，容易引入軟開(kāi)關(guān)控制;直流側的均壓比較容易實(shí)現;各變流器單元的工作負荷一致等。對于級聯(lián)3-H變流器，級聯(lián)單元數N(每個(gè)3-H變流器為一個(gè)單元)和輸出波形電平數W之間滿(mǎn)足W=2N+l的關(guān)系;級聯(lián)5-H變流器對應關(guān)系為：W=4N+l。以上各變流器單元的獨立直流源電壓值相同。故若將各獨立電壓源的電壓值分別取為E、2E、4E……2N-1E，則其輸出的電平數就大幅度地增加到2N+1一l，即得到所謂的改進(jìn)的級聯(lián)H橋型多電平變流器(Modified Cascade否H-bridgeMullevel Converter)。但此種拓撲導通器件數增多，開(kāi)關(guān)損耗加大，電路整體效率下降，調制策略變得復雜，因而仍在探索階段。

2 載波相移SPWM(CPS-SPWM)調制原理

相移SPWM調制技術(shù)的基本思想是：在變流器單元數為N的電壓型SPWM組合裝置中，各變流器單元采用共同的調制波信號sm，其頻率為fm。各變流器單元的三角載波頻率為fc，將各三角載波的相位相互錯開(kāi)三角載波周期的1/(2N)，即三角載波Trl(1)、Trl(2)、Trl(3)……Trl(2N)的相位依次相差Tc/(2N)(式中Tc=l/fc).以變流器單元數N等于4為例如圖5(a)所示。各模塊輸出如圖5(b)所示.每個(gè)模塊的輸出都是兩個(gè)三角波與調制波相交產(chǎn)生的PWM信號的疊加.是三邏輯信號疊加后輸出如圖5(c)所示。2N個(gè)三角波Tri(i=1.2.3……2N)在整個(gè)調制波周期內均勻分布，所以，從輸出頻譜看，N個(gè)單元構成的級聯(lián)型變流器等效為2N單元的相移SPWM組合變流器，輸出為(2N+1)電平的PWM信號。其頻域模型為

式中除以下成分外均為零：

1)信號輸出f=fm

由此可見(jiàn)，采用載波相移方式的N單元變流器輸出信號電壓提高N倍.呈線(xiàn)性放大;等效開(kāi)關(guān)頻率提高2N倍。

3 實(shí)驗

采用CPS—SPWM調制方法的級聯(lián)型H橋變流器，能夠在不使用變壓器的情況下，在較低的器件開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現高載波頻率的效果。本文以3-H橋為例進(jìn)行實(shí)驗，對于N單元級聯(lián)型3-H橋，產(chǎn)生(2N+1)電平的輸出，需要4N個(gè)開(kāi)關(guān)管，即4N路PWM信號：由3N個(gè)單元級聯(lián)型3-H橋模塊組成的三相變流器產(chǎn)生三相(2N+1)電平，需要12N個(gè)開(kāi)關(guān)管，12N路PWM信號。目前流行的控制器TMS320LF2407 DSP是Tl公司專(zhuān)為數字電機控制而設計的新一代數字處理器，2407在一塊芯片上集成了兩個(gè)事件管理器，共可以產(chǎn)生6對互補的PWM信號，可用于三相單模塊的三電平輸出，或單相五電平輸出。實(shí)驗輸出波形如圖6及圖8所示。頻譜分布如圖7及圖9所示。

結語(yǔ)

頻譜分析(圖7，圖9)表明，對于三相三電平諧波畸變率THD=O.6005，采用CPS—SPWM調制方法輸出五電平的諧波畸變率降到THD=0.2911。同時(shí)由頻譜圖顯然可見(jiàn)，輸出波形中只含有Nf次及其邊帶諧波(其中N為變流器單元數，f為單個(gè)開(kāi)關(guān)頻率)即變流器的等效開(kāi)關(guān)頻率提高到了N倍。當級聯(lián)的模塊數增加時(shí)，輸出波形的諧波會(huì )成比例地向高次移動(dòng)，從而使得總的諧波畸變率大幅度降低，因而使得CPS—SPWM技術(shù)應用到H橋拓撲中在大功率方面有廣闊的應用前景。