CPS―SPWM調(diào)制方法在H橋多電平變流器中的應(yīng)用

隨著大功率自關(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越深入的研究，在大容量電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交直流電力傳輸?shù)葓?chǎng)合的應(yīng)用范圍也越來越廣泛了。在大功率電力電子變流裝置的實(shí)現(xiàn)上，一個(gè)重要的問題就是大功率器件的工作頻率較低，無法適應(yīng)PWM技術(shù)等優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。載波移相正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(Carrier phase-shifted SPWM，以下簡(jiǎn)稱CPS-SPWM)是為了解決該問題而提出的新技術(shù)。

田納西大學(xué)的Peng F.Z.等人于1996年提出了級(jí)聯(lián)H橋型變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用于無功補(bǔ)償[1]。級(jí)聯(lián)H橋變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由N個(gè)單相全橋模塊在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成一相橋臂對(duì)，直流側(cè)相互獨(dú)立，如圖1(a)所示。由3個(gè)橋臂對(duì)通過Y型或者△連接構(gòu)成三相系統(tǒng)，如圖1(b)所示便為Y型接法示意圖。相對(duì)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(jí)聯(lián)H橋型變流器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)各變流器單元結(jié)構(gòu)相同，容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、安裝、維修;

2)直流側(cè)相互獨(dú)立，電壓均衡容易實(shí)現(xiàn);

3)各變流器單元工作對(duì)稱，開關(guān)負(fù)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(duì)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(shù)，以和下面N表示H橋的單元數(shù)區(qū)分，本文以每3-H橋?yàn)橐粋€(gè)單元)，將其輸出波形的相位各錯(cuò)開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(gòu)成脈波數(shù)為6Lx、的變流器系統(tǒng)。輸出波形中包含6kLx±1(k為正整數(shù))次的諧波。但多重化技術(shù)存在以下不足：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差;各裝置輸入/輸出波形須錯(cuò)開一定的相位，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(jié)合的變流器。該類變流器等效開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、通頻帶寬，便于采用不同的控制策略。H橋型拓?fù)湓诙嚯娖阶兞髌鞯幕就負(fù)渲校哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、需要最少數(shù)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關(guān)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹H橋的幾種基本結(jié)構(gòu)及其級(jí)聯(lián)形式，并以級(jí)聯(lián)3-H橋?yàn)槔?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(hào)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

H橋多電平變流器的基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dāng)同時(shí)導(dǎo)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說明其電平生成情況、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(dāng)改變逆變器中晶體管的開關(guān)狀態(tài)，a點(diǎn)和n點(diǎn)可跟d0，d1和d2相連。假設(shè)直流側(cè)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?fù)渲?，電容上的電壓可以通過對(duì)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(chǔ)，可以得到圖3所示的級(jí)聯(lián)3-H變流器和圖4所示級(jí)聯(lián)5-H變流器。由3一H級(jí)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(qǐng)專利，取名為完美無諧波變頻器。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)輸出電壓，電平數(shù)的要求可決定級(jí)聯(lián)的單元數(shù)。級(jí)聯(lián)3-H橋型變流器有很多優(yōu)點(diǎn)：獲得同樣電平數(shù)輸出時(shí)，使用的元器件最少;每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進(jìn)行模塊化設(shè)汁和封裝;各變流器單元之間相對(duì)獨(dú)立，容易引入軟開關(guān)控制;直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn);各變流器單元的工作負(fù)荷一致等。對(duì)于級(jí)聯(lián)3-H變流器，級(jí)聯(lián)單元數(shù)N(每個(gè)3-H變流器為一個(gè)單元)和輸出波形電平數(shù)W之間滿足W=2N+l的關(guān)系;級(jí)聯(lián)5-H變流器對(duì)應(yīng)關(guān)系為：W=4N+l。以上各變流器單元的獨(dú)立直流源電壓值相同。故若將各獨(dú)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(shù)就大幅度地增加到2N+1一l，即得到所謂的改進(jìn)的級(jí)聯(lián)H橋型多電平變流器(Modified Cascade否H-bridgeMullevel Converter)。但此種拓?fù)鋵?dǎo)通器件數(shù)增多，開關(guān)損耗加大，電路整體效率下降，調(diào)制策略變得復(fù)雜，因而仍在探索階段。

2 載波相移SPWM(CPS-SPWM)調(diào)制原理

相移SPWM調(diào)制技術(shù)的基本思想是：在變流器單元數(shù)為N的電壓型SPWM組合裝置中，各變流器單元采用共同的調(diào)制波信號(hào)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(cuò)開三角載波周期的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(shù)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(diào)制波相交產(chǎn)生的PWM信號(hào)的疊加.是三邏輯信號(hào)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(diào)制波周期內(nèi)均勻分布，所以，從輸出頻譜看，N個(gè)單元構(gòu)成的級(jí)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(hào)。其頻域模型為

式中除以下成分外均為零：

1)信號(hào)輸出f=fm

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

3 實(shí)驗(yàn)

采用CPS—SPWM調(diào)制方法的級(jí)聯(lián)型H橋變流器，能夠在不使用變壓器的情況下，在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高載波頻率的效果。本文以3-H橋?yàn)槔M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于N單元級(jí)聯(lián)型3-H橋，產(chǎn)生(2N+1)電平的輸出，需要4N個(gè)開關(guān)管，即4N路PWM信號(hào)：由3N個(gè)單元級(jí)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)開關(guān)管，12N路PWM信號(hào)。目前流行的控制器TMS320LF2407 DSP是Tl公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的新一代數(shù)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(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)，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(yàn)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(jié)語

頻譜分析(圖7，圖9)表明，對(duì)于三相三電平諧波畸變率THD=O.6005，采用CPS—SPWM調(diào)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，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(shù)，f為單個(gè)開關(guān)頻率)即變流器的等效開關(guān)頻率提高到了N倍。當(dāng)級(jí)聯(lián)的模塊數(shù)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(yīng)用到H橋拓?fù)渲性诖蠊β史矫嬗袕V闊的應(yīng)用前景。