專利名稱：單相二極管箝位型五電平半橋逆變器的半周期控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單相二極管箝位型五電平半橋逆變器的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展，高壓大容量逆變器的應(yīng)用越來越廣泛，并且隨著輸入電壓等級(jí) 的不斷提高，傳統(tǒng)兩電平的局限性越來越明顯，首先受到電力電子器件耐壓的限制，另外 EMI大、輸出電壓諧波含量大等。為了解決這一問題，多電平逆變器應(yīng)運(yùn)而生，其中二極管箝 位型多電平逆變器因其控制和拓?fù)浜唵味鴳?yīng)用廣泛。其控制方法也多種多樣，但是這些控 制方法應(yīng)用于橋式電路時(shí)，均需要加入死區(qū)，死區(qū)時(shí)間的加入使得橋臂輸出電壓不再是理 想的SPWM波，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生波形畸變，并會(huì)造成一定的基波損失，低次諧波含量增加等一系 列死區(qū)效應(yīng)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)五電平二極管箝位型半橋逆變器現(xiàn)有的控制技 術(shù)存在的缺陷提出一種半周期控制策略，可以消除死區(qū)效應(yīng)問題。半周期控制方法模式方法的特征在于電流大于零時(shí)，只控制上橋臂的開關(guān)管Sp s2、s3和s4，給下橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)；在電流小于零時(shí)，只控制下橋臂的開關(guān)管s5、s6、s7 和s8，給上橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)輸出五電平的同時(shí)不存在死區(qū)效應(yīng)的問題。半 周期控制模式在控制中加入了輸出電感電流的極性這一控制參數(shù)，在輸出某個(gè)電平時(shí)，根 據(jù)當(dāng)前的電感電流極性來選擇開關(guān)狀態(tài)，從而關(guān)斷了一些不必要的開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)了無死區(qū) 工作。本發(fā)明采用PWM控制的實(shí)現(xiàn)方法，屬于恒頻控制，橋臂輸出諧波頻譜分布規(guī)律，可 以更方便的設(shè)計(jì)輸出低通濾波器。


圖1 二極管箝位型五電平半橋逆變器主電路拓?fù)湓韴D；圖2 二極管箝位型五電平半橋逆變電路的橋臂輸出電壓\和經(jīng)濾波器濾波得到 的輸出電壓V。波形；圖3 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器輸出濾波電感電流 大于零(I > 0)時(shí)的各開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各開關(guān)模態(tài)示意圖；圖4:本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器輸出濾波電感電流 小于零(I < 0)時(shí)的各開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各開關(guān)模態(tài)示意圖；圖5 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器的五電平多載波原 理圖及多調(diào)制波原理圖；圖6 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器的控制框圖；圖7 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器電感電流過零時(shí)電流的波形示意圖；圖8 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器帶兩種不同負(fù)載情 況下功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；圖9 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器電感電流由正過零 變負(fù)模態(tài)分析示意圖；圖10 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器運(yùn)行時(shí)的無死區(qū)實(shí) 現(xiàn)策略；圖11 本發(fā)明半周期PWM控制二極管箝位型五電平半橋逆變器在之間加 入死區(qū)時(shí)間后的電流過零情況分析；圖12 本發(fā)明半周期PWM控制的五電平半橋在兩種不同負(fù)載情況下仿真實(shí)驗(yàn)波形。圖中的主要符號(hào)名稱Udl、Ud2、Ud3、Ud4—分別為第一直流電源、第二直流電源、第 三直流電源、第四直流電源，Si S8---分別為第一功率開關(guān)管 第八功率開關(guān)管，L--輸 出濾波電感，Cf—輸出濾波電容，DS1 DS8—分別為第一寄生體二極管 第八寄生體二 極管，iL—輸出濾波電感電流，ur—三角載波，v。一輸出電壓，vof—采樣的輸出電壓，
基準(zhǔn)正弦波電壓，ue—電壓環(huán)輸出電壓并作為輸出電感電流的基準(zhǔn)，VA—橋臂輸 出電壓，R-—負(fù)載，us—基準(zhǔn)正弦波電壓，url —四個(gè)三角載波，gSl-—第一功率開 關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，gs2--第二功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，gs3--第三功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形， gs4—第四功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，gs5--第五功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，gs6--第六功率開關(guān) 管驅(qū)動(dòng)波形，\---Ml或M7的持續(xù)時(shí)間，S2---54、55之間加入的死區(qū)時(shí)間，、、、一電流 由正變負(fù)的兩種可能時(shí)刻。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，半橋橋臂輸出電壓\和經(jīng)濾波器濾波得到的輸出電壓V。波形，其中 橋臂輸出五個(gè)電平“+2Ud”、“+Ud”、“0”、“-Ud”和“-2Ud” (以第二直流電壓源陰極為參考 點(diǎn))。當(dāng)輸出電壓v。> 0時(shí)，半橋橋臂輸出電平“0”、“+Ud”之間切換(a區(qū))或者電平“+Ud”、 “+2Ud”之間切換(b區(qū))；當(dāng)輸出電壓v。<0時(shí)，半橋橋臂輸出電平“0”、“-Ud”之間切換(c 區(qū))或者電平“-Ud”、“_2Ud”之間切換(d區(qū))。輸出“+2U,電平，iL > 0時(shí)，如圖3(f)，上半橋臂所有功率開關(guān)管導(dǎo)通，即S” S2、 S3和S4同時(shí)導(dǎo)通，電流從Udl陽極流出，經(jīng)過31、52、53、54、輸出濾波電感和濾波電容流入U(xiǎn)d2 的陰極；iL < 0，如圖4(c)，所有功率開關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)過Ds4、DS3、DS2和DS1，流入U(xiǎn)dl的陽 極。輸出“+Ud”電平，k > 0時(shí)，如圖3(e)，S2、S3和S4導(dǎo)通，電流從Ud2陽極流出，經(jīng)過 Di、S2、S3和S4和輸出濾波電感和濾波電容流入U(xiǎn)d2的陰極；k < 0，如圖4(b)，S5開通，電流 經(jīng)過S5、D12、D8和D2，流入U(xiǎn)d2的陽極。輸出“0”電平，、>0，如圖3(a)和3 (d)，S3和S4開通，電流在D3、D7、S3、S4和輸 出濾波器之間續(xù)流小< 0，如圖4 (a)和4 (d)，S5和S6開通，電流在S5、S6、D10和D4和輸出 濾波器之間續(xù)流。輸出“_Ud”電平，k > 0，如圖3 (b)，S4開通，電流從Ud3的陰極流出，經(jīng)過D5、D9、Dn和S4流向?yàn)V波電感小< 0，如圖4 (e)，S5、S6和S7開通，電流經(jīng)過S5、S6、S7和D6流入U(xiǎn)d3的 陰極。輸出“-2U/’電平，iL > 0，如圖3(c)，所有功率開關(guān)管關(guān)斷，電流從Ud4的陰極流出， 經(jīng)過DS8、DS7、DS6和DS5流向?yàn)V波電感火< 0，如圖4(f)，S5、S6、S7和S8開通，電感電流從輸 出濾波器經(jīng)S5、s6、s7和s8流入ud4的陰極。表1為以上十個(gè)工作模態(tài)(記為Ml M10)半周期運(yùn)行時(shí)的工作模態(tài)分配表，其 中OFF表示器件關(guān)斷，ON表示器件導(dǎo)通。圖5為載波交截PWM實(shí)現(xiàn)的基本原理圖，將正弦調(diào)制波(us)與四個(gè)三角載波(uri、 ur2、ur3、ur4)比較，當(dāng)us > ur4時(shí)，半橋輸出電平“+2Ud”，當(dāng)ur3 < us < ur4時(shí)，半橋輸出“+U, 電平，當(dāng)ur2 <us< ur3時(shí)，半橋輸出“0”電平，當(dāng)ur2 <us< ur3時(shí)，半橋輸出“_Ud”電平，當(dāng) us < url時(shí)，半橋輸出“-2U,電平。圖6為實(shí)現(xiàn)半周期的工作模式，該半周期控制的二極管箝位型五電平半橋逆變器 采用的控制方案，將采樣的輸出電壓(V。)與給定的基準(zhǔn)正弦波電壓00經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后得 到電壓環(huán)輸出電壓00，該信號(hào)即作為電流環(huán)的基準(zhǔn)。將電流基準(zhǔn)00與采樣的電感電流 (iL)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后得到正弦調(diào)制波(us)。將電流基準(zhǔn)00和正弦調(diào)制波(us)各自通過 過零比較器分別得到輸出電感電流的極性和輸出電壓的極性。將正弦調(diào)制波(us)與四個(gè) 載波比較得到當(dāng)前需要輸出的電平，根據(jù)當(dāng)前電流基準(zhǔn)的極性得到輸出電感電流的極性， 再結(jié)合表一可以唯一確定當(dāng)前的工作模態(tài)。最后將得到的半橋輸出五電平電壓經(jīng)低通濾波 器后輸出正弦波電壓。表1半周期運(yùn)行時(shí)的工作模態(tài)分配表 圖7為電流過零時(shí)電感電流的波形示意圖。在lU艮小時(shí)，電感電流下降到零后， 由于仍未給下橋臂的功率管驅(qū)動(dòng)，所以在該周期結(jié)束前會(huì)一直維持在零，即進(jìn)入斷續(xù)狀態(tài)，直到下個(gè)周期開始，電感電流從零開始上升。當(dāng)I過零后，電流的工作狀態(tài)也會(huì)如此，出現(xiàn) 幾個(gè)周期的斷續(xù)情況。圖8為在兩種不同負(fù)載情況下功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，以電流由正過零變負(fù)為 例，uel負(fù)載時(shí)，在過零前的b區(qū)，Si、S2、&和S4同時(shí)導(dǎo)通，過零后仍處于b區(qū)，無開關(guān)管導(dǎo) 通，不會(huì)出現(xiàn)直通的問題。負(fù)載u62時(shí)，在過零前的a區(qū)，^3和、同時(shí)導(dǎo)通，過零后仍處 于a區(qū)，、導(dǎo)通，不會(huì)出現(xiàn)直通的問題。同樣可以分析在電流由負(fù)過零變正的情況，不需要 加入死區(qū)時(shí)間。但由于本方案采用恒頻控制，在當(dāng)前模態(tài)運(yùn)行結(jié)束后立刻運(yùn)行下一個(gè)模態(tài)，考慮 到各模態(tài)運(yùn)行的時(shí)間，如圖9 (a)中所示，若M4與M6之間的Ml運(yùn)行的時(shí)間持續(xù)得過短， 則M4模態(tài)中S2還未來得及完全關(guān)斷，M6模態(tài)中的S6就開通了，這樣就會(huì)存在S2、S3、S4、S5 和&之間的直通問題。同樣在圖9(b)中，若M4與M6之間的M7運(yùn)行的時(shí)間S :持續(xù)得過 短，則M4模態(tài)中S2還未來得及完全關(guān)斷，M6模態(tài)中的S6就開通了，這樣也會(huì)存在S2、S3、S4、 &和S6之間的直通問題。為了避免直通，必須在驅(qū)動(dòng)電路中加入死區(qū)時(shí)間。本發(fā)明的半周期控制方案，只需采用如圖10的解決措施，即在、和S5之間加入死 區(qū)。因?yàn)槭前胫芷诳刂?，在一個(gè)輸出正弦波周期中只需要加入兩次死區(qū)時(shí)間即可解決橋臂 的直通問題，對(duì)于一個(gè)輸出周期來說，由于死區(qū)時(shí)間引起的死區(qū)效應(yīng)問題可以忽略，從而消 除了傳統(tǒng)控制方案中死區(qū)效應(yīng)的問題。在s4和s5之間加入死區(qū)時(shí)間后的電流過零情況分 析如圖11。
權(quán)利要求
應(yīng)用于單相二極管箝位型五電平半橋逆變器的半周期PWM控制方法，其特征在于，在電流大于零時(shí)，只控制上橋臂的開關(guān)管S1、S2、S3和S4，給下橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)；在電流小于零時(shí)，只控制下橋臂的開關(guān)管S5、S6、S7和S8，給上橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)，在半周期控制邏輯中，利用輸出電流極性這一參數(shù)，可以關(guān)斷一些不必要的開通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無死區(qū)運(yùn)行，半橋輸出五個(gè)電平“+2Ud”、“+Ud”、“0”、“-Ud”和“-2Ud”(以第二直流電壓源陰極為參考點(diǎn))，其控制方法特征在于(1)輸出“+2Ud”電平時(shí)，iL＞0，上半橋臂所有功率開關(guān)管導(dǎo)通，即第一功率開關(guān)管(S1)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)同時(shí)導(dǎo)通，電流從第一直流電源(Ud1)陽極流出，經(jīng)過第一功率開關(guān)管(S1)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)、第四功率開關(guān)管(S4)、輸出濾波電感和濾波電容流入第二直流電源(Ud2)的陰極；iL＜0，所有功率開關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)過第四寄生二極管(DS4)、第三寄生二極管(DS3)、第二寄生二極管(DS2)和第一寄生二極管(DS1)，流入第一直流電源(Ud1)的陽極；(2)輸出“+Ud”電平時(shí)，iL＞0，第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)導(dǎo)通，電流從第二直流電源(Ud2)陽極流出，經(jīng)過第一箝位二極管(D1)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)、第四功率開關(guān)管(S4)和輸出濾波電感和濾波電容流入第二直流電源(Ud2)的陰極；iL＜0，第五功率開關(guān)管(S5)開通，電流經(jīng)過第五功率開關(guān)管(S5)、第十二箝位二極管(D12)、第八箝位二極管(D8)和第二箝位二極管(D2)，流入第二直流電源(Ud2)的陽極；(3)輸出“0”電平，iL＞0，第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)開通，電流在第三箝位二極管(D3)、第七箝位二極管(D7)、第三功率開關(guān)管(S3)、第四功率開關(guān)管(S4)和輸出濾波器之間續(xù)流；iL＜0，第五功率開關(guān)管(S5)和第六功率開關(guān)管(S6)開通，電流在第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率開關(guān)管(S6)、第十箝位二極管(D10)、第四箝位二極管(D4)和輸出濾波器之間續(xù)流；(4)輸出“-Ud”電平，iL＞0，第四功率開關(guān)管(S4)開通，電流從第三直流電壓源(Ud3)的陰極流出，經(jīng)過第五箝位二極管(D5)、第九箝位二極管(D9)、第十一箝位二極管(D11)和第四功率開關(guān)管(S4)流向?yàn)V波電感；iL＜0，第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率開關(guān)管(S6)和第七功率開關(guān)管(S7)開通，電流經(jīng)過第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率開關(guān)管(S6)、第七功率開關(guān)管(S7)和第六箝位二極管(D6)流入第三直流電壓源(Ud3)的陰極；(5)輸出“-2Ud”電平，iL＞0，所有功率開關(guān)管關(guān)斷，電流從第四直流電壓源(Ud4)的陰極流出，經(jīng)過第八寄生二極管(DS8)、第七寄生二極管(DS7)、第六寄生二極管(DS6)、第五寄生二極管(DS5)流向?yàn)V波電感；iL＜0，第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率開關(guān)管(S6)、第七功率開關(guān)管(S7)和第八功率開關(guān)管(S8)開通，電感電流從輸出濾波器經(jīng)第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率開關(guān)管(S6)、第七功率開關(guān)管(S7)和第八功率開關(guān)管(S8)流入第四直流電壓源(Ud4)的陰極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五電平半橋逆變器的半周期PWM控制的單相二極管箝位型五 電平半橋逆變器方案，其特征為將采樣的輸出電壓(v。f)與給定的基準(zhǔn)正弦波電壓(vref)經(jīng) 電壓調(diào)節(jié)器后得到電壓環(huán)輸出電壓00，該信號(hào)即作為電流環(huán)的基準(zhǔn)，將電流基準(zhǔn)(u6)和 采樣的電感電流(ij經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后得到調(diào)制波(us)，以電流基準(zhǔn)00的極性來判斷輸出 電感電流的極性，同時(shí)調(diào)制波(us)與四個(gè)三角載波比較來得到當(dāng)前需要輸出的電平，這樣便可唯一確定當(dāng)前開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，半橋輸出的五電平電壓經(jīng)輸出低通濾波器后在負(fù)載 上得到正弦波輸出電壓。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種對(duì)單相二極管箝位型五電平半橋逆變器的控制方法。單相二極管箝位型五電平半橋逆變器由電源電路(1)、帶箝位二極管的半橋橋臂及濾波電路(2)、輸出電路(3)依次連接組成，半橋輸出的五電平電壓經(jīng)輸出濾波器L和C濾波后給負(fù)載R供電。該控制方法的基本思想是在電流大于零時(shí)，只控制上橋臂的開關(guān)管S1、S2、S3和S4，給下橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)，在電流小于零時(shí)，只控制上橋臂的開關(guān)管S5、S6、S7和S8，給上橋臂半個(gè)周期關(guān)斷信號(hào)。本發(fā)明的半周期PWM控制方法，解決了五電平橋式逆變器PWM控制中加入死區(qū)帶來的死區(qū)效應(yīng)問題。
文檔編號(hào)H02M7/48GK101860244SQ20101014251
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者王慧貞, 鄒萍萍, 陳小剛 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)