CPS-SPWM技術(shù)在級聯(lián)H橋型變流器上的具體實(shí)現(xiàn)方法
隨著大功率自關(guān)斷器件和智能高速微控制芯片的不斷發(fā)展，大功率電力電子變流裝置得到了越來越深入的研究，在大容量電機(jī)驅(qū)動、交直流電力傳輸?shù)葓龊系膽?yīng)用范圍也越來越廣泛了。在大功率電力電子變流裝置的實(shí)現(xiàn)上，一個重要的問題就是大功率器件的工作頻率較低，無法適應(yīng)PWM技術(shù)等優(yōu)秀的調(diào)制技術(shù)。載波移相正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（Carrier phase-shifted SPWM，以下簡稱CPS-SPWM）是為了解決該問題而提出的新技術(shù)。本文對CPS-SPWM技術(shù)在級聯(lián)H橋型多電平變流器上的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳盡的描述。
1 基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器
田納西大學(xué)的Peng F.Z.等人于1996年提出了級聯(lián)H橋型變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用于無功補(bǔ)償[1]。級聯(lián)H橋變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由N個單相全橋模塊在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成一相橋臂對，直流側(cè)相互獨(dú)立，如圖1（a）所示。由3個橋臂對通過Y型或者△連接構(gòu)成三相系統(tǒng)，如圖1（b）所示便為Y型接法示意圖。相對于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，這種級聯(lián)H橋型變流器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）各變流器單元結(jié)構(gòu)相同，容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、安裝、維修；
2）直流側(cè)相互獨(dú)立，電壓均衡容易實(shí)現(xiàn)；
3）各變流器單元工作對稱，開關(guān)負(fù)荷平衡。
（a）單相 （b）三相Y型接法
圖1 級聯(lián)H橋型變流器主電路結(jié)構(gòu)
當(dāng)然，級聯(lián)H橋型變流器也有不足之處，主要就是在需要提供有功功率的場合必須采用獨(dú)立直流電源。顯然，在不需要提供有功功率的場合比如靜止無功補(bǔ)償器、電力有源濾波器(APF)等，級聯(lián)型多電平變流器具有更大的優(yōu)勢。
在控制上，有的采用基波頻率控制[1][2]，不同的變流器單元采用不同的開關(guān)角用以消除低次諧波，控制直流電壓調(diào)節(jié)輸出基波電壓。這種方法動態(tài)響應(yīng)較差，開關(guān)負(fù)荷不一致，難以輸出較寬頻帶的信號，不適于有源濾波器等要求較高調(diào)節(jié)性能的大功率場合。在以往的研究中，級聯(lián)H橋型變流器一般是應(yīng)用于靜止無功補(bǔ)償器[3]、中高壓交流驅(qū)動[4][5]等場合，幾乎沒有在電力有源濾波器中應(yīng)用的報(bào)道。并聯(lián)APF是一種受到廣泛研究的大功率電力電子裝置，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。將級聯(lián)型多電平變流器引入并聯(lián)APF，對提高有源濾波器的功率等級有重要的意義。
為此，本文提出了基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器，將CPS-SPWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)引入級聯(lián)H橋型變流器，而且不需要變壓器級聯(lián)[6][7][8]。本文著重分析這種變流器的工作原理。
2 工作原理
圖2所示為由兩個H橋單元級聯(lián)而成的變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，這種變流器由兩個全橋單元級聯(lián)而成。其中，每個全橋單元由兩個半橋組成。現(xiàn)有文獻(xiàn)一般都是將這種級聯(lián)H橋變流器按兩個全橋單元來處理，每個H橋單元為兩電平輸出，級聯(lián)后H橋單元總輸出為三電平輸出[9]。僅S1和S1′為獨(dú)立開關(guān)，將圖2所示的級聯(lián)H橋變流器當(dāng)作兩個獨(dú)立單元來進(jìn)行CPS-SPWM調(diào)制，這樣總的輸出僅為三電平輸出。
圖2 級聯(lián)H橋變流器
本文將圖2所示的級聯(lián)H橋變流器分解為4個獨(dú)立的半橋單元，并對4個半橋單元分別進(jìn)行CPS-SPWM調(diào)制。這樣，每個H橋單元可以實(shí)現(xiàn)三電平輸出，級聯(lián)H橋變流器的總輸出可達(dá)五電平，達(dá)到了改善級聯(lián)H橋變流器輸出波形的目的。圖2所示的每個全橋單元中的左右兩個半橋共地，若將右半橋上下管的驅(qū)動信號互換后，圖2所示的級聯(lián)H橋變流器的輸出電壓與圖3所示的4個半橋單元級聯(lián)而成的變流器輸出電壓相等。由此，本文得到了適合級聯(lián)H橋變流器的CPS-SPWM調(diào)制方法。
圖3 4個半橋單元級聯(lián)型變流器
取四列幅值相等、相位依次互差π/2的三角載波Tr1(t)、Tr2(t)、Tr3(t)和Tr4(t)，分別與同列正弦調(diào)制波M(t)進(jìn)行調(diào)制。為分析方便，取載波比kc=2，幅度調(diào)制比m=0.8，CPS-SPWM級聯(lián)H橋變流器相應(yīng)的工作時序如圖4所示。
圖4 CPS-SPWM級聯(lián)H橋變流器工作時序圖
可得，適合本文所提的CPS-SPWM級聯(lián)H橋變流器的具體調(diào)制方法為：
1）初始相位為0的三角載波Tr1(t)與調(diào)制波M(t)相比較所得驅(qū)動信號g1來驅(qū)動左半橋上開關(guān)管S1，與g1互補(bǔ)的驅(qū)動信號g4來驅(qū)動左半橋的下開關(guān)S4；
2）初始相位為π/2的三角載波Tr2(t)與調(diào)制波M(t)相交所得驅(qū)動信號g1′來驅(qū)動左半橋上開關(guān)管S1′，與g1′互補(bǔ)的驅(qū)動信號g4′來驅(qū)動左半橋的下開關(guān)管S4′；
3）初始相位為π的三角載波Tr3(t)與調(diào)制波M(t)相比較取反后的驅(qū)動信號g2來驅(qū)動右半橋上開關(guān)管S2，與g2互補(bǔ)的驅(qū)動信號g3來驅(qū)動右半橋的下開關(guān)管S3。
4）初始相位為3π/2的三角載波Tr4(t)與調(diào)制波M(t)取反后的驅(qū)動信號g2′來驅(qū)動右半橋上開關(guān)管S2′，與g2′互補(bǔ)的驅(qū)動信號g3′來驅(qū)動右半橋的下開關(guān)管S3′。
3 仿真驗(yàn)證
為說明CPS-SPWM技術(shù)在級聯(lián)H橋型變流器中的具體應(yīng)用方法，對圖2所示級聯(lián)H橋變流器進(jìn)行了仿真分析，仿真時幅度調(diào)制比取0.9，載波比取21。取四列相位互差π/2的三角載波與一列正弦調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制，便可得到圖2中開關(guān)管S1、S1′、S3、S3′相應(yīng)的驅(qū)動信號g1、g1′、g3、g3′，如圖5所示。開關(guān)管S4、S4′、S2、S2′相應(yīng)的驅(qū)動信號g4、g4′、g2、g2′依次與g1、g1′、g3、g3′互補(bǔ)，這里不再給出。需要指出的是，對于圖2所示的級聯(lián)H橋，開關(guān)管S1的驅(qū)動信號g1與一個變流器單元輸出的電壓波形相同，驅(qū)動信號g1相應(yīng)的頻譜也是一個變流器單元輸出波形的頻譜；同理，驅(qū)動信號g1和g3相加所得三電平波形與兩個變流器單元組成的CPS-SPWM變流器輸出的波形相同，驅(qū)動信號g1和g3相加所得三電平波形相應(yīng)的頻譜也就是兩個變流器單元組成的CPS-SPWM變流器輸出波形的頻譜；驅(qū)動信號g1、g3、g1′和g3′相加所得五電平輸出波形與4個變流器單元組成的CPS-SPWM變流器輸出的波形相同，驅(qū)動信號g1、g3、g1′和g3′相加所得五電平輸出波形的頻譜也就是4個變流器單元組成的CPS-SPWM變流器輸出的波形的頻譜。圖5所示為級聯(lián)H橋開關(guān)管的驅(qū)動信號及其相應(yīng)的頻譜。
圖5級聯(lián)H橋變流器中開關(guān)管相應(yīng)的驅(qū)動信號
開關(guān)管S1的驅(qū)動信號及其相應(yīng)的頻譜如圖6所示。驅(qū)動信號g1和g3相加所得三電平波形及其頻譜如圖7所示。驅(qū)動信號g1′和g3′相加所得三電平波形及其頻譜如圖8所示。驅(qū)動信號g1、g3、g1′和g3′相加所得五電平輸出波形及其頻譜如圖9所示。g1驅(qū)動信號為兩電平輸出，從頻譜中可以看出，除基波分量外，最低次諧波群出現(xiàn)在21次附近，其余諧波群分散在42、63、84次附近。
（a）驅(qū)動信號g1波形 （b）g1相應(yīng)的頻譜
圖6 驅(qū)動信號g1波形及其相應(yīng)頻譜
（a）驅(qū)動信號g1＋g3所得波形 （b）g1＋g3所得波形的頻譜
圖7 驅(qū)動信號g1＋g3所得波形及其相應(yīng)頻譜
（a）驅(qū)動信號g1′＋g3′所得波形 （b）g1′＋g3′所得波形的頻譜
圖8 驅(qū)動信號g1′＋g3′所得波形及其相應(yīng)頻譜
（a）驅(qū)動信號g1＋g3＋g1′＋g3′所得波形 （b）g1＋g3＋g1′＋g3′所得波形的頻譜
圖9 驅(qū)動信號g1＋g3＋g1′＋g3′所得波形及其相應(yīng)頻譜
驅(qū)動信號g1＋g3所得波形和驅(qū)動信號g1′＋g3′所得波形均為三電平輸出，從頻譜中可以看出，除基波分量外，最低次諧波群出現(xiàn)在42次附近，63次附近諧波群基本已被抵消，其余諧波群主要集中在84次附近，可看出等效開關(guān)頻率提高為原來的2倍。
驅(qū)動信號g1＋g3＋g1′＋g3′所得波形為五電平輸出，從頻譜中可以看出，除基波分量外，最低次諧波群出現(xiàn)在84次附近，其余諧波群基本全部被抵消了，可看出等效開關(guān)頻率提高為原來的4倍。
仿真表明，級聯(lián)H橋型變流器采用CPS-SPWM調(diào)制以后，具備了CPS-SPWM技術(shù)固有的優(yōu)點(diǎn)：在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高等效開關(guān)頻率的效果；通過低次諧波相互抵消提高等效開關(guān)頻率，而不是將諧波簡單地向高次推移[10][11][12][13][14]。基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器可以應(yīng)用在電源有源濾波器（APF）場合。
4 技術(shù)評價(jià)
1）在各種多電平變流器拓?fù)渲校壜?lián)H橋型多電平變流器所需的元器件數(shù)目最少；
2）由于采用獨(dú)立直流結(jié)構(gòu)，因此直流側(cè)的均壓問題相對容易解決；
3）每個基本單元的電路結(jié)構(gòu)完全一致，更有利于模塊化設(shè)計(jì)；
4）級聯(lián)H橋型多電平變流器中，每級變流器單元可采用低壓元器件，在交流側(cè)卻可以獲得高電壓的輸出；
5）每級變流器的輸出為三電平，與常規(guī)兩電平全橋電路相比，du/dt降低一半，大大減小了電磁干擾（EMI）；
6）由于各基本單元結(jié)構(gòu)、容量一致，因而容易進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)在不正常工況或負(fù)載切換時的可靠運(yùn)行。
級聯(lián)H橋型多電平變流器的缺點(diǎn)是在需要提供有功功率的場合（比如交流電機(jī)驅(qū)動和交流供電電源等），需要獨(dú)立的直流電源，而這些獨(dú)立的直流電源最好是可逆的，比如蓄電池等。而在電力有源濾波器(APF)中不需要直流電源提供能量。顯然，級聯(lián)型多電平變流器在APF系統(tǒng)中有很大的優(yōu)勢。
CPS-SPWM技術(shù)能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高開關(guān)頻率的效果，通過低次諧波的相互抵消提高等效開關(guān)頻率，而不是簡單地將諧波向高次推移，因而具有良好的諧波特性，在提高裝置容量的同時，有效地減小了輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。除此之外，該技術(shù)還具備線性度好，控制性能優(yōu)越等一系列優(yōu)點(diǎn)。
在并聯(lián)有源濾波器系統(tǒng)中，由于直流側(cè)不需要提供有功功率，級聯(lián)H橋型多電平變流器的優(yōu)勢可以得到充分的發(fā)揮。而CPS-SPWM技術(shù)良好的諧波傳輸特性也可以得到良好的利用。因此，本文將二者結(jié)合起來，提出了基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器。基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高載波頻率的效果，而且不需要通過變壓器級聯(lián)。因而結(jié)構(gòu)簡單，相同電平數(shù)下開關(guān)器件最少。級聯(lián)各H橋單元之間相互獨(dú)立，直流側(cè)均壓較容易實(shí)現(xiàn)，便于模塊化設(shè)計(jì)，且較容易引進(jìn)軟開關(guān)技術(shù)。電力有源濾波器（APF）裝置僅需提供少量的有功功率以補(bǔ)償裝置的開關(guān)和線路損耗，故直流側(cè)不需要獨(dú)立電源，只需要電容器即可。
級聯(lián)H型多電平變流器作為近年來研究的熱點(diǎn)，自身具有很多技術(shù)上的優(yōu)勢[28][29][30]，而將其應(yīng)用到APF上，是一個較新的研究方向。
5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文構(gòu)造了一個三相五電平級聯(lián)H橋型逆變器來驗(yàn)證24路PWM產(chǎn)生器的正確性，其主電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。開關(guān)器件選用Fuji公司生產(chǎn)的型號為6MBP15RY060的IPM模塊，負(fù)載為阻感性負(fù)載。中間直流濾波電容的容量選為470μF/450V。實(shí)驗(yàn)中，ACEX1K30的FPGA芯片外圍用的時鐘為16M，調(diào)制波頻率為50Hz，采樣頻率為1050Hz，載波周期的計(jì)數(shù)值為（16M/1050）/2=7619，設(shè)定好DSP的I/O口后，就按照以上的規(guī)則進(jìn)行連接輸入，在DSP程序中采用了4個捕獲中斷的方法。DSP算法中，正弦表采用查表法。正弦表中選用了84個點(diǎn)，每來一個中斷，查表指針加1，這樣，每一個中斷走完一個周期所經(jīng)歷的點(diǎn)是21個，每一個變流器單元對應(yīng)的調(diào)制波頻率為50Hz。這樣，便可輸出4個變流器單元所需的24路PWM脈沖。
圖10 五電平級聯(lián)H橋逆變器主電路
A相的4組驅(qū)動信號如圖11所示，可以看出一個調(diào)制波周期內(nèi)有21個脈沖，4個PWM驅(qū)動信號的周期均為20ms，4組驅(qū)動信號存在一定的相位差。圖12所示為4組載波對應(yīng)中斷信號，可以看出每1ms左右內(nèi)有一個中斷信號，一個周期20ms內(nèi)有21個中斷信號，每組中斷信號基本相差230μs，約為20ms/84與CPSSPWM理論相符合。
圖11 A相4組驅(qū)動信號波形（1V/div）
圖12 4組載波對應(yīng)的中斷信號
A相和B相PWM波形如圖13所示，A相和B相PWM波形周期均為20ms，且B相脈沖滯后A相約6.7ms，即120°。A相上下橋臂PWM波形如圖14所示，可以看出，經(jīng)過死區(qū)產(chǎn)生器可以可靠產(chǎn)生死區(qū)。
圖13 A相和B相PWM波形
圖14 A相上下橋臂PWM波形
A相和B相PWM波形經(jīng)過RC低通濾波器后得到的正弦波波形如圖15所示，可以看出周期為20ms。圖16為4個相移載波計(jì)數(shù)器值到達(dá)設(shè)定值時產(chǎn)生的中斷信號，大約每1ms左右來一個中斷信號，每個中斷信號都對應(yīng)一個PWM信號，脈寬變化比較明顯。
圖15 A相和B相PWM觸發(fā)信號中的基波成分
圖16 中斷信號和PWM信號
圖10的五電平級聯(lián)H橋逆變器中A相單個H橋的電壓波形及其頻譜如圖17所示。用Matlab軟件進(jìn)行仿真得到的相應(yīng)的波形及頻譜如圖18所示，比較兩個頻譜可以發(fā)現(xiàn)，最低次諧波都分布在42附近，是開關(guān)頻率的兩倍[15][16]，輸出電壓的諧波特性與理論分析完全一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。
（a）單個H橋相電壓和相電流實(shí)驗(yàn)波形 （b）波形相應(yīng)的頻譜
圖17 單個H橋相電壓實(shí)驗(yàn)波形及其頻譜特性
（a）單個H橋相電壓仿真波形 （b）圖（a）所示波形相應(yīng)頻譜
圖18 單個H橋相電壓仿真波形及相應(yīng)頻譜
圖10的五電平級聯(lián)H橋逆變器中A相兩個H橋級聯(lián)后的輸出電壓波形及其頻譜如圖19所示；用Matlab軟件進(jìn)行仿真得到的相應(yīng)的波形及頻譜如圖20所示，比較圖19和圖20兩個頻譜可以發(fā)現(xiàn)，最低次諧波發(fā)生在84附近，即實(shí)現(xiàn)了4倍等效開關(guān)頻率。從頻譜上看，輸出電壓的諧波特性與理論分析完全一致，驗(yàn)證了載波相移SPWM技術(shù)應(yīng)用于級聯(lián)型多電平變流器的技術(shù)優(yōu)勢。
（a）兩個H橋級聯(lián)后所得相電壓實(shí)驗(yàn)波形 （b）圖（a）所示波形相應(yīng)頻譜
圖19 兩個H橋級聯(lián)后的相電壓實(shí)驗(yàn)波形及其頻譜
（a）兩個H橋級聯(lián)后的相電壓仿真波形
（b）圖（a）所示波形相應(yīng)頻譜
圖20 兩個H橋級聯(lián)后的相電壓仿真波形及其頻譜
6 結(jié)語
基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器同時具備級聯(lián)H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和CPS-SPWM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高載波頻率的效果，而且不需要通過變壓器級聯(lián)；其結(jié)構(gòu)簡單，相同電平數(shù)下開關(guān)器件最少；級聯(lián)各H橋單元之間相互獨(dú)立，直流側(cè)均壓較容易實(shí)現(xiàn)，便于模塊化設(shè)計(jì)，且較容易引進(jìn)軟開關(guān)技術(shù)。基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器非常適于有源濾波器等要求較高調(diào)節(jié)性能的大功率場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，在小功率裝置中，器件開關(guān)頻率較高，采用這種變流器可以提高傳輸頻帶，大大減小無源濾波器的容量和尺寸。基于CPS-SPWM技術(shù)的級聯(lián)H橋型變流器在音頻放大器、微弱信號放大器等場合也具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
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