基于DSP正弦波調(diào)制的三電平變換器

摘要：首先介紹了三電平PWM變換器的特點(diǎn)，比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)地介紹了三電平中SPWM控制的原理，并討論了用DSPLF2407A來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM的方法。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPWM控制方法的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了用DSP實(shí)現(xiàn)三電平SPWM的方便性。

關(guān)鍵詞：三電平變換器；正弦脈沖寬度調(diào)制；數(shù)字處理器

1 概述

二極管中點(diǎn)鉗位型的三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，輸出相同質(zhì)量電流波形的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對(duì)稱(chēng)的雙向開(kāi)關(guān)，能量可以雙向流動(dòng)，可以很好地控制功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。然而，由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個(gè)功率管，其控制方法也隨之復(fù)雜。另外，直流側(cè)中點(diǎn)電位的不平衡也是制約該拓?fù)涞囊粋€(gè)重要因素。

圖1 三電平變換器主電路結(jié)構(gòu)

三電平變換器的控制方法主要有正弦波調(diào)制PWM(SPWM)，選擇性的消諧PWM(SHEPWM)，空間矢量PWM(SVPWM)。

三電平空間矢量控制PWM方法和兩電平空間矢量的控制方法一樣，也是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的PWM方法。三電平空間矢量方法的優(yōu)點(diǎn)主要是電壓利用率高，對(duì)于二極管中點(diǎn)鉗位的變換電路可以利用冗余的電壓矢量（一般都是小矢量）來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡；其缺點(diǎn)就是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的時(shí)候計(jì)算量非常大,尤其是當(dāng)電平數(shù)大于3的時(shí)候更加復(fù)雜。

選擇性的消諧PWM方法，通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，可以在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形，從而減小了電流紋波和電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在輸出同樣質(zhì)量波形的時(shí)候，它較其它的方法，開(kāi)關(guān)次數(shù)最少，效率最高。因此，在高壓大功率的設(shè)備上多采用SHEPWM的控制方法。但是，這種方法的一個(gè)難點(diǎn)就是在計(jì)算開(kāi)關(guān)角的時(shí)候，要解超越方程，現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中，確定開(kāi)關(guān)角的初值難以選擇，計(jì)算比較困難。

而正弦波調(diào)制的方法的優(yōu)點(diǎn)主要以下幾點(diǎn)：

1）SPWM實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，可以模擬實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，計(jì)算量小；

2）可以大大降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，因此在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，比較容易實(shí)現(xiàn)，而且成本較低；

3）對(duì)于任何數(shù)電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化，注入合適的三次諧波，可以實(shí)現(xiàn)最大調(diào)制比1.15；

4）在載波中注入合適零序列，可以較好地平衡中點(diǎn)電位。

本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎(chǔ)上，討論了用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)三電平SPWM控制的方法，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

2 三電平載波調(diào)制理論

從圖1中可以看到，三電平逆變器的每一個(gè)橋臂上有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，4個(gè)反向恢復(fù)二極管和2個(gè)鉗位二極管。以第一橋臂為例，其中開(kāi)關(guān)管S_a1和S_a3的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)互補(bǔ)，S_a2和S_a4的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)也是互補(bǔ)的。S_a1和S_a2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出相電壓為E_d/2；S_a2和S_a3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出的相電壓為0；S_a3和S_a4同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出的相電壓為－E_d/2。為了確保電路中dv/dt不能太大，必須保證每個(gè)橋臂中只能有上面三種情況的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，絕不容許有3個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，但是，由于所采用的開(kāi)關(guān)器件都不是理想的，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間。因此，必須對(duì)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)加入死區(qū)時(shí)間。從上面分析可知，一個(gè)橋臂中，控制信號(hào)只有兩個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)。S_a1和S_a2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)是由2個(gè)具有同相位，同頻率f_c，相同的峰峰值A_c，且對(duì)稱(chēng)分布的三角載波和一個(gè)峰峰值為A_m，頻率為f_m的正弦參考信號(hào)比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開(kāi)通相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，反之則關(guān)斷該器件。對(duì)于三電平變換器，幅度調(diào)制比m_a和頻率調(diào)制比m_f定義為

m_a=A_m/2A_c（1）

m_f=f_c/f_m（2）

圖2是調(diào)制比為m_a=0.9，m_f=9的三電平變換器的原理圖。

（a）調(diào)制原理

（b）A相電壓波形

（c）B相電壓波形