基于H橋級聯(lián)型逆變器PWM控制策略的研究

1引言

　　H橋級聯(lián)型多電平變換器采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，其輸出多采用多電平移相式PWM控制方式，以實(shí)現(xiàn)較低的輸出電壓諧波，較小的dv/dt和共模電壓及較小的轉(zhuǎn)矩脈動。為實(shí)現(xiàn)高壓，只需簡單的增加單元數(shù)即可，該種實(shí)現(xiàn)方式的技術(shù)難度小。每個功率單元都是分離的直流電源，之間是彼此獨(dú)立的，對一個單元的控制不會影響其他單元。H橋級聯(lián)型逆變器與單橋逆變器的實(shí)現(xiàn)方式主要區(qū)別在于PWM的控制方式上，本文對H橋級聯(lián)型逆變器的PWM控制方式進(jìn)行探討。

2H橋級聯(lián)型逆變器結(jié)構(gòu)

　　每個功率單元都是一個獨(dú)立的直流電源，其設(shè)計(jì)方式如下圖1所示：

圖1功率單元結(jié)構(gòu)框圖

　　根據(jù)上圖對功率單元的描述可知，此種實(shí)現(xiàn)方式的功率單元可以產(chǎn)生三種電平，即+Udc、0、-Udc。當(dāng)S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)閉時(shí)，負(fù)載得到電壓+Udc;當(dāng)S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)閉時(shí)，負(fù)載得到電壓-Udc;當(dāng)S1和S3（或S2和S4）導(dǎo)通，S2和S4（或S1和S3）關(guān)閉時(shí)，負(fù)載得到電壓0（注意：在控制的過程中，要嚴(yán)格避免同一橋臂兩功率器件同時(shí)導(dǎo)通，即同一橋臂的兩路控制信號要求是反向的）。因此可見，當(dāng)使用不同的PWM控制策略，便可以產(chǎn)生不同的PWM波形。

3載波移相控制理論

　　一般來說，N電平的逆變器調(diào)制，需要N-1個三角載波。載波移相調(diào)制法中，所有三角波均具有相同的頻率和幅值，但是任意兩個相鄰載波的相位要有一定的相移，其值為

　　（1）

　　調(diào)制信號通常為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的三相正弦信號。通過調(diào)制波和載波的比較，可以產(chǎn)生所需要的開關(guān)器件的驅(qū)動信號[1]。

4PWM控制策略

　　變頻器通常以正弦波的方式輸出，對于單相橋而言，其輸出通?？煞譃閱螛O性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式（限于篇幅，具體實(shí)現(xiàn)方式見參考文獻(xiàn)）。而基于H橋方式的逆變器，同樣也可以輸出類似于單相橋輸出的波形，其PWM控制策略應(yīng)稍作調(diào)整。單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式輸出的波形在性能上有所區(qū)別，由于單極性調(diào)制可以輸出三個電平，而雙極性調(diào)制只能輸出兩個電平，因此雙極性調(diào)制的dv/dt較大，對電機(jī)絕緣沖擊大。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通常采用單極性調(diào)制波形作為最終的輸出波形。本文以H橋級聯(lián)型逆變器的結(jié)構(gòu)和采用載波移相法產(chǎn)生的SPWM作為各功率單元的控制信號為基礎(chǔ)，來實(shí)現(xiàn)單極性SPWM波形的輸出。下面對幾種PWM控制策略進(jìn)行探討和研究：

　　1）單橋臂斬波：所謂的單橋臂斬波法即是S1和S2作為半周期控制信號，當(dāng)正半周期時(shí)S1導(dǎo)通，S2關(guān)閉;當(dāng)負(fù)半周期時(shí)S1關(guān)閉，S2導(dǎo)通;S3的控制信號為SPWM信號，

圖2S3的控制信號波形

圖3S1的控制信號波形

圖4功率單元輸出波形