CPS―SPWM調(diào)制方法在H橋多電平變流器中的應用

摘要：H橋多電平變流器在眾多多電平變流器拓撲中具有器件需求量最少、易于模塊化、數(shù)字化、易于采用軟開關技術等優(yōu)點。詳細討論了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)策略實現(xiàn)多電平的方法。并以TMS320LF2407 DSP為硬件平臺?？刂萍壜?lián)3一H橋．實驗驗證了級聯(lián)型H橋變流器和CPS―SPWM結(jié)舍的巨大優(yōu)勢。

關鍵詞：多電平變流器；H橋；載波相移正弦波脈寬調(diào)制；教字信號處理器
中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：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把幾個矩形波輸出組合成逼近正弦波的波形。以提高容量、減小諧波對于Lx個三相變流電路單元(每個單元三相，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橋為一個單元)，將其輸出波形的相位各錯開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6kLx1(k為正整數(shù))次的諧波。但多重化技術存在以下不足：結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)動態(tài)響應差；各裝置輸入／輸出波形須錯開一定的相位，造成基波損失。
多電平組合變流器是采用CPS―SPWM技術和多重化技術相結(jié)合的變流器。該類變流器等效開關頻率高、開關損耗小、動態(tài)響應快、通頻帶寬，便于采用不同的控制策略。H橋型拓撲在多電平變流器的基本拓撲中，具有結(jié)構(gòu)簡單、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技術等優(yōu)點。本文介紹H橋的幾種基本結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)形式，并以級聯(lián)3-H橋為例．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，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整倍次及其邊帶諧波，和理論分析的完全一致。

1 H橋拓撲結(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，這個基本單元可產(chǎn)生3電平輸出：同時導通S1和S3或S2和S4，就可在兩橋臂間產(chǎn)生極性相反的電平；當同時導通S1和S2或S3和S4時．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單元由全橋式中點鉗位式電路組成，適當改變逆變器中晶體管的開關狀態(tài)，a點和n點可跟d0，d1和d2相連。假設直流側(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。在這個拓撲中，電容上的電壓可以通過對冗余狀態(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，可以得到圖3所示的級聯(lián)3-H變流器和圖4所示級聯(lián)5-H變流器。由3一H級聯(lián)而成的電壓型變頻器已由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。根據(jù)系統(tǒng)對輸出電壓，電平數(shù)的要求可決定級聯(lián)的單元數(shù)。級聯(lián)3-H橋型變流器有很多優(yōu)點：獲得同樣電平數(shù)輸出時，使用的元器件最少；每個變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進行模塊化設汁和封裝；各變流器單元之間相對獨立，容易引入軟開關控制；直流側(cè)的均壓比較容易實現(xiàn)；各變流器單元的工作負荷一致等。對于級聯(lián)3-H變流器，級聯(lián)單元數(shù)N(每個3-H變流器為一個單元)和輸出波形電平數(shù)W之間滿足W=2N+l的關系；級聯(lián)5-H變流器對應關系為：W=4N+l。以上各變流器單元的獨立直流源電壓值相同。故若將各獨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，即得到所謂的改進的級聯(lián)H橋型多電平變流器(Modified Cascade否H-bridgeMultilevel Converter)。但此種拓撲導通器件數(shù)增多，開關損耗加大，電路整體效率下降，調(diào)制策略變得復雜，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．每個模塊的輸出都是兩個三角波與調(diào)制波相交產(chǎn)生的PWM信號的疊加．是三邏輯信號疊加后輸出如圖5(c)所示。2N個三角波Tri(i=1．2．3……2N)在整個調(diào)制波周期內(nèi)均勻分布,所以，從輸出頻譜看,N個單元構(gòu)成的級聯(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。其頻域模型為[7]：

式中除以下成分外均為零：
1)信號輸出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電壓提高N倍．呈線性放大；等效開關頻率提高2N倍。

3 實驗
采用CPS―SPWM調(diào)制方法的級聯(lián)型H橋變流器，能夠在不使用變壓器的情況下，在較低的器件開關頻率下實現(xiàn)高載波頻率的效果。本文以3-H橋為例進行實驗，對于N單元級聯(lián)型3-H橋，產(chǎn)生(2N+1)電平的輸出，需要4N個開關管，即4N路PWM信號：由3N個單元級聯(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個開關管，12N路PWM信號。目前流行的控制器TMS320LF2407 DSP是Tl公司專為數(shù)字電機控制而設計的新一代數(shù)字處理器，2407在一塊芯片上集成了兩個事件管理器，共可以產(chǎn)生6對互補的PWM信號，可用于三相單模塊的三電平輸出，或單相五電平輸出。實驗輸出波形如圖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為單個開關頻率)即變流器的等效開關頻率提高到了N倍。當級聯(lián)的模塊數(shù)增加時，輸出波形的諧波會成比例地向高次移動，從而使得總的諧波畸變率大幅度降低，因而使得CPS―SPWM技術應用到H橋拓撲中在大功率方面有廣闊的應用前景。