二极管箝位型多电平逆变器载波PWM控制方法的研究

1、二极管箝位型多电平逆变器载波PWM控制方法的研究多电、载波、调制度1  引言    自从日本长冈科技大学的南波江章于1980年在IAS年会上提出了三电平二极管箝位式结构以来1，二极管箝位式逆变器在高压大功率方面成为研究的热点，主要是因为它具有小的输出波形THD、低的器件电压应力和低的系统EMI等优点2。二极管箝位型五电平逆变器的电路拓扑结构如图1所示，其输出电压及其对应的开关状态如表1所示。表1 二极管箝位型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系“1”表示开关器件导通状态，“0”表示开关器件关断状态图二极管箝位型五电平三相逆变器主电路 

2、60;  多电平变换器的PWM控制方法是多电平变换器研究中的一个相当关键的技术。一般说来，波形质量，开关损耗，直流电压利用率是衡量PWM方法的几个重要指标。对二极管箝位型逆变器PWM控制方法的研究主要集中在载波PWM方法（SPWM）和空间电压矢量法（SVPWM）。SVPWM把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，易于数字化处理，并具有转矩脉动小，噪声低，电压利用率高等优点3,但当该方法应用于五电平以上的电路时，由于逆变器的空间矢量骤然增多，控制算法会变得非常复杂，因此对于五电平以上二极管箝位型逆变器，采用载波PWM控制方法是一种比较可行的方案。2  二极管箝位型多电

3、平载波PWM法2.1 消谐波PWM（SHEPWM）法原理    对于一个n电平的二极管箝位型逆变器，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰峰值Ac的三角载波与一个频率为fm，幅值为Am的正弦波相比较，为了使n-1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧，如图2所示。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。对于一个n电平的逆变器，幅度调制比ma和频率调制比mf分别定义为，。图2  消谐波PWM原理示意图

4、    SHEPWM法的优点是输出谐波含量低，易于实现，并且可以用于任何电平数的多电平逆变器，可以在整个调制比变化范围内工作，缺点是ma较低，基波电压幅值小。2.2 开关频率优化PWM方法（SFOPWM）    开关频率优化PWM法是另一种三角载波PWM方法，这种方法与SHPWM法类似，它们的载波要求相同，但SFOPWM的正弦调制波中注入了零序分量，这样可以解决SHEPWM法ma较低，基波电压幅值小的缺点，该方法的原理如图3所示4。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM法的调制波是通常的

5、三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。该方法只可用于三相系统，因为注入的零序分量在单相系统中无法相互抵消，从而在单相系统的输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不存在这种情况。零序分量和调制波的计算公式如下：     （1）     （2）      （3）      （4） 图3  开关频率优化PWM方法示意图 2.3 二极管箝位型多电平逆变器载波交叠PWM方法  

6、;   采用SFOPWM方法后,虽然解决了解决SHEPWM法ma较低,基波电压幅值小的缺点,但是无论是SHEPWM法还是SFOPWM法都还无法解决二极管箝位型逆变器在低调制度下发生电平退化的问题。以五电平二极管箝位型逆变器为例，当ma0.5时逆变器能输出最大电平数，为高调制度情况；当ma0.5时，逆变器不能输出所有的电平，为低调制度情况，其相电压明显退化为三电平，此时单相桥臂只有四个开关管有开关动作，另外四个会保持开通或者关断。这种情况下，开关管得不到完全的应用，相应的电平也没有得到充分应用，多电平逆变器就失去了其最大的优势。多电平逆变器载波交叠式PWM方法（Ca

7、rrier-Overlapping PWM，简称为COPWM）利用了多电平逆变器多个载波之间在竖直方向上的偏移量这个自由度，该方法在低调制度下具有良好的谐波特性，在高调制度范围内谐波特性和传统的消谐波PWM方法基本相同。     对于一个n电平的变换器，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰峰值Ac的三角载波与一个频率为fm，幅值为Am的正弦波相比较，（n-1）个三角载波在竖直方向上相互交叠Ac/2，最上部的三角载波的峰点所对应的纵坐标和最下部的三角载波的谷点所对应的纵坐标是关于零参考对称的，如图4所示。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波

8、的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。图4  载波交叠式PWM方法原理图 3  新型的二极管箝位型多电平逆变器载波PWM法     在SFOPWM方法中，向正弦调制波中注入零序分量，解决了SHEPWM法直流电压利用率低的缺点，使调制度达到了1.15，这非常符合人们对高电压调制比的需要5。本文在综合分析二极管箝位型逆变器的不同的PWM调制方法，以及他们在不同调制度下的特性的基础上，将载波交叠式PWM法与开关频率优化PWM法相结合，得到了一种无论是在高调制度还是

9、在低调制度下都有良好性能的新型PWM控制方法，其原理如图5所示，就是在调制波中注入零序分量，载波采用相互交叠的形式，由于注入了零序分量，该方法仍然只适用于三相系统。图5  新型PWM控制方法原理图 4  仿真结果及分析     为了验证这种新型PWM控制方法的效果,用Matlab进行了仿真研究。建立了一个二极管箝位型五电平逆变器,母线直流电压采用400V,设定开关频率为1.08kHz,分别采用SHEPWM控制方法和这种新型的PWM方法对在低调制度下（ma0.3）和高调制度（ma0.8）进行了仿真分析。  

10、   图6和图8是SHEPWM方法在调制度分别为0.3和0.8时相电压和线电压波形的仿真结果；图7和图9是这种新型PWM控制方法在调制度分别为0.3和0.8时相电压和线电压波形的仿真结果。由仿真结果可知：在低调制度下，SHEPWM方法会产生电平退化现象，而这种新型的PWM方法则由于直流侧各个电平都得到应用，因而具有更好的谐波性能。在高调制度情况下，这种方法与常规的SHEPWM方法相比，最显著的优点在于在谐波性能基本不变的情况下可以把输出电压的电压调制比提高到1.15,提高了直流电压的利用率。图6  五电平逆变器SHEPWM方法调制度为0.3时的仿真结果图7  五电平逆变器新型PWM方法调制度为0.3时的仿真结果图8  五电平逆变器SHEPWM方法调制度为0.8时的仿真结果图9  五电平逆变器新型PWM方法调制度为0.8时的仿真结果5  结束语     二极管箝位型多电平逆变器是近年来高压、大功率领域的一个研究热点，