CPS—SPWM調(diào)制方法在H橋多電平變流器中的應(yīng)用

摘要：H橋多電平變流器在眾多多電平變流器拓?fù)渲芯哂衅骷枨罅孔钌?、易于模塊化、數(shù)字化、易于采用軟開關(guān)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)討論了H橋多電平變流器的幾種基本結(jié)構(gòu)和用載波相移正弦波脈寬調(diào)制(CPS—SPWM)策略實(shí)現(xiàn)多電平的方法。并以TMS320LF2407 DSP為硬件平臺(tái)?？刂萍?jí)聯(lián)3一H橋．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了級(jí)聯(lián)型H橋變流器和CPS—SPWM結(jié)舍的巨大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：多電平變流器；H橋；載波相移正弦波脈寬調(diào)制；教字信號(hào)處理器
中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0219—2713（2005）05-0020-04

0 引言
    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?，具有結(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肨MS3201LF2407 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(guó)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-bridgeMultilevel 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[7]：
   
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。

4 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。