基于DSP正弦波調(diào)制的三電平變換器

作者：時間：2011-02-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：首先介紹了三電平PWM變換器的特點，比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點。詳細地介紹了三電平中SPWM控制的原理，并討論了用DSPLF2407A來實現(xiàn)SPWM的方法。最后通過仿真和實驗驗證了SPWM控制方法的特點，實驗證實了用DSP實現(xiàn)三電平SPWM的方便性。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/151009.htm

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

二極管中點鉗位型的三電平逆變器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實現(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)量電流波形的時候，開關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對稱的雙向開關(guān)，能量可以雙向流動，可以很好地控制功率因數(shù)和實現(xiàn)電機四象限運行。然而，由于這種拓撲結(jié)構(gòu)使用了12個功率管，其控制方法也隨之復(fù)雜。另外，直流側(cè)中點電位的不平衡也是制約該拓撲的一個重要因素。

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)點主要是電壓利用率高，對于二極管中點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）來實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡；其缺點就是數(shù)字實現(xiàn)的時候計算量非常大,尤其是當(dāng)電平數(shù)大于3的時候更加復(fù)雜。

選擇性的消諧PWM方法，通過開關(guān)時刻的優(yōu)化選擇，可以在較低的開關(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機的脈動轉(zhuǎn)矩。在輸出同樣質(zhì)量波形的時候，它較其它的方法，開關(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，這種方法的一個難點就是在計算開關(guān)角的時候，要解超越方程，現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中，確定開關(guān)角的初值難以選擇，計算比較困難。

而正弦波調(diào)制的方法的優(yōu)點主要以下幾點：

1）SPWM實現(xiàn)起來比較方便，可以模擬實現(xiàn)也可以用數(shù)字來實現(xiàn)，而且用數(shù)字來實現(xiàn)的時候，計算量??；

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)計濾波器的時候，比較容易實現(xiàn)，而且成本較低；

3）對于任何數(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來實現(xiàn)三電平SPWM控制的方法，并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較。

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橋臂上有4個開關(guān)管，4個反向恢復(fù)二極管和2個鉗位二極管。以第一橋臂為例，其中開關(guān)管S_a1和S_a3的開關(guān)控制信號互補，S_a2和S_a4的開關(guān)控制信號也是互補的。S_a1和S_a2同時導(dǎo)通的時候，輸出相電壓為E_d/2；S_a2和S_a3同時導(dǎo)通的時候，輸出的相電壓為0；S_a3和S_a4同時導(dǎo)通的時候，輸出的相電壓為－E_d/2。為了確保電路中dv/dt不能太大，必須保證每個橋臂中只能有上面三種情況的兩個開關(guān)管導(dǎo)通，絕不容許有3個開關(guān)管同時導(dǎo)通，但是，由于所采用的開關(guān)器件都不是理想的，開關(guān)管的開通和關(guān)斷都需要一定的時間。因此，必須對開關(guān)控制信號加入死區(qū)時間。從上面分析可知，一個橋臂中，控制信號只有兩個獨立的控制信號。S_a1和S_a2的驅(qū)動控制信號是由2個具有同相位，同頻率f_c，相同的峰峰值A_c，且對稱分布的三角載波和一個峰峰值為A_m，頻率為f_m的正弦參考信號比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件，反之則關(guān)斷該器件。對于三電平變換器，幅度調(diào)制比m_a和頻率調(diào)制比m_f定義為