一种级联H桥三电平整流器脉宽调制方法研究

张志　刘畅　唐校　康丽

(东莞理工学院　电子工程与智能化学院，广东东莞　523808)



一种级联H桥三电平整流器脉宽调制方法研究

张志刘畅唐校康丽

(东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞523808)

以两个功率单元级联为例，提出了一种适用于单相级联H桥三电平整流器脉宽调制方法。以减小功率器件的开关频率和保证直流侧电容电压平衡为控制目标，对该三电平变流器运行于整流工况进行了详细分析。优化选择了输出矢量作用顺序，并进行了仿真和实验验证。该方法具有算法简单、易于数字实现和通用性好的特点。仿真和实验结果验证了本文所提调制方法的正确性和有效性。

级联H桥；脉宽调制； 电容电压平衡； 三电平

多电平变换器具有开关管电压应力低，输出电压谐波含量少，电压变化率(du/dt)小等优点，在中高压大功率场合得到了广泛关注[1-13]。多电平变换器拓扑结构，归纳起来主要有3种：H桥级联型、二极管箝位型和飞跨电容型。而级联型拓扑相对于其它两种多电平变换器拓扑来说，具有需要最少数量的开关器件、不需要大量的箝位二极管和飞跨电容、易于模块化等优点，在大功率电源、静止无功补偿器和高压调速等领域得到了广泛的应用。

多电平脉宽调制(PWM)技术是H桥级联型多电平逆变器的核心问题之一。目前级联型多电平变换器的PWM方法主要包括载波移相正弦脉宽调制(Carrier Phase Shifted-sinusoidal Pulse Width Modulation, CPS- SPWM)方法，多电平空间矢量脉宽调制(Space Voltage Pulse Width Modulation, SVPWM)方法和特定谐波消除法等。CPS-SPWM1通过将各载波的相位相互错开一定角度，可以在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，有效地减小了输出谐波，但存在电压利用率低，且难以将逆变器和高性能电机控制策略相结合的缺点[11]。而特定谐波消除法求解过程中需要处理多项式高次方程，实用受到一定限制。多电平SVPWM方法具有物理意义明确、电压利用率高等优点[4-9]，但数字实现较为复杂。

以两个功率单元级联为例[3]，提出了一种适用于单相级联H桥三电平变流器脉宽调制方法。该方法将单相空间矢量图分为四个区间，根据伏秒平衡原理，利用区间内的多个电压矢量实现对输出参考电压矢量的合成。对该变换器运行于整流工况进行了详细分析，以减少功率器件开关频率和直流侧电容电压平衡为控制目标，优化选择了输出电压矢量作用顺序。最后对本文所提方法进行了仿真和实验验证。

1　级联H桥三电平变流器拓扑结构

单相级联H桥变流器拓扑结构如图1所示。整个系统由两个H桥单元级联而成。每个H桥单元又由4个带反并联二极管的功率器件构成。图1为变流器运行于整流工况时的拓扑结构，交流侧电源Us=Umcosωt，L为交流侧滤波电感，直流侧采用两个电容C1=C2。每个H桥单元可以输出三个电平E、0和-E，分别对应状态P、O和N。两个H桥单元有16个工作状态，可以输出五个电平±2E，±E和0，如表1所示。根据电压矢量的模长大小，定义PP、NN为大矢量，PO、OP、ON和NO为小矢量，OO、PN和NP为零矢量。其中PO与OP，ON与NO互为冗余小矢量，OO、PN和NP互为冗余零矢量。

图1　单相级联H桥三电平变流器拓扑结构图

VT1VT3VT′1VT′3VAOVOBVAB状态1111000OO11100EEOP11010-E-EON1100000OO1011E0EPO1010EE2EPP1001E-E0PN1000E0EPO0111-E0-ENO0110-EE0NP0101-E-E-2ENN0100-E0-ENO0011000OO00100EEOP00010-E-EON0000000OO

2　单相级联H桥三电平脉宽调制方法

图2　单相级联H桥三电平变流器矢量图

2.1输出矢量的作用时间

根据伏秒平衡原理，即由式(1)，容易计算出参考电压矢量UAB位于各个区间内每个输出矢量的作用时间，如表2所示。

(1)

表2　输出电压矢量作用时间

Ts为采样周期，E为直流侧电压值。

2.2输出矢量的作用顺序

当变流器输出参考电压UAB位于区间1时，如图2所示，矢量UAB由PO(OP)和PP合成，当参考电压矢量UAB位于区间2时，矢量UAB由PO(OP)、OO(PN, NP)合成，当参考电压矢量UAB位于其它两个区间时，情况类似。由表1可知，每个H桥单元输出状态O时，变流器对应有两种状态。以H桥单元1为例，功率管VT1和VT3导通或VT2，VT4导通时，单元模块1端电压UAO= 0，为了便于对单元模块的控制，这里取VT2和VT4导通为状态O，这样，H桥单元由状态P(VT1和VT4导通)过渡到状态O(VT2和VT4导通)，或由状态O(VT2和VT4导通)过渡到状态N(VT2和VT3导通)时，只引起一个开关管导通或关断状态的变化，减少功率器件的开关频率，从而降低开关损耗。

表3　整流工况输出电压矢量作用顺序

图3　整流工况时输出电压矢量时序图

当三电平变流器工作于整流状态时，直流侧为两个电容，存在电容电压平衡问题。由于小矢量和零矢量作用时，对应着不同的电容充放电(如表4所示)，必须优化选择这些矢量的作用顺序，利用其对应的电容充放电的不同，达到平衡直流侧电容电压的目的。表3为变流器运行于整流工况时输出电压矢量的作用顺序。从表3可以看出，在同一区间内开关状态的每一次变化都只有一个单元模块的两个互补功率管的开关状态发生了变化，而矢量在区间之间切换时，每个单元模块最多只有一对互补功率管的开关状态发生变化，从而降低了器件的开关频率。

图3为级联三电平变流器工作于整流工作状态时，参考电压矢量位于各个区间内，输出电压矢量的时序图。其中VTx_PWM表示开关管VTx的导通或关断信号，x=1,4。

2.3直流侧中点电位控制

单相H桥三电平变流器工作于整流工况时，如图1所示，直流侧为两个直流电容，因此考虑直流侧电容电压平衡问题。通过检测直流侧电容电压的大小和交流侧电感电流的方向，对小矢量和零矢量的作用时间进行微调，进而对直流侧电容电压充放电的时间进行调整，使得直流侧电容电压达到平衡。

图4为冗余小矢量PO和OP作用时的电路图，当电感电流iL>0时，小矢量PO作用使得VC1升高，小矢量OP作用使得VC2升高，当电感电流iL<0时，情况相反。同理可以分析，小矢量和零矢量作用时，对应的电容充放电关系如表4所示。

图4　小矢量作用电路图

电流iLPOOPONNOPNNP>0VC1　升高VC2　升高VC2　下降VC1　下降VC1　升高VC2　下降VC1　下降VC2　升高<0VC1　下降VC2　下降VC2　升高VC1　升高VC1　下降VC2　升高VC1　升高VC2　下降

由表4可知，矢量PO和OP，ON和NO，PN和NP互为冗余矢量，但它们对直流侧电容电压影响不同，为了保证直流侧电容电压的平衡，本文通过检测负载电流的方向和直流侧电容电压的大小，调整冗余矢量的作用时间来实现对直流侧电容电压平衡的控制。

3　仿真和实验结果

为了验证所提的单相级联H桥三电平SVPWM方法的正确性和有效性，进行了仿真和实验验证。

图5为输入侧电压和电流波形，由图可知，电压电流同相位，系统具有单位功率因数。图6(a)为系统稳定时，直流侧电容电压波形，直流侧电容电压稳定在500 V，含有二倍基波频率的交流分量[15]，图6(b)为直流侧两电容电压的差值，由仿真结果可知，采用本文所提方法能较好的平衡直流侧电容电压。为了验证本文所提脉宽调制方法在初始时刻电容电压不相等时，对直流侧电容电压的平衡能力，做了相应的仿真实验。假设初始电容电压VC1= 1 000 V，VC2= 0 V，由图7所示，采用本文所提直流侧中点电位控制的方法，直流侧电容电压能较快的稳定在500 V。

图5　输入电压电流仿真波形

图6　直流侧电容电压仿真波形

图7　直流侧电容电压动态波形

搭建了小功率实验系统，采用本文所提方法对H桥三电平变流器运行于整流工况进行了实验验证。采用TI公司TMS320F2812作为控制电路的核心，功率开关器件选用IKW40N120T2 IGBT管，输入电压有效值为220 V，直流母线电压E1=E2= 300 V，系统开关频率为10 kHz，负载为阻感负载，电感L为1.5 mH，负载500 Ω。

图8是整流器输入线电压UAB波形；图9为输入电压和电流波形，输入侧保证单位功率因数；图10为直流侧电容电压UC1波形，由图所示直流侧电压波形能较好的稳定在设定值的一半。实验结果和理论分析基本一致。

图8　整流器输入电压UAB实验波形

图9　整流器输出电压电流实验波形

图10　整流器直流侧输出电压实验波形

4　结语

提出了一种适用于单相H桥三电平变流器的脉宽调制方法。该方法将单相空间矢量图分成四个部分，根据伏秒平衡原理，利用区间内的多个电压矢量实现对输出参考电压矢量的合成。对该变流器运行于整流工况进行了详细分析，同时优化选择输出电压矢量的作用顺序，减小了器件开关频率。通过检测负载电流方向和直流侧电容电压的大小，改变冗余小矢量和零矢量的作用时间，进而调整电容充放电的时间，实现了该变流器直流侧电容电压的平衡。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和可行性。该方法形式简单，易于离散数字处理器实现，且能应用于其它级联H桥多电平拓扑中。

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The Study of A PWM Method for Cascade H-Bridge Three-level Rectifier

ZHANG ZhiLIU ChangTANG XiaoKANG Li

(School of Electrical Engineering & Intellingigentization, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

Taking two power cells cascaded as an example, a PWM algorithm is proposed for single-phase cascaded H-bridge five-level converter. Rectification operating mode of the three-level converter is described in detail in this paper. In order to lower the switching frequency and balance the capacitor voltage, the output voltage vectors are optimal for the two operating modes, and the proposed PWM is verified by simulation and experiment, the algorithm is general, simple and easy to digital realization. The simulational and experimental results prove its validity and feasibility.

Cascaded H-bridge; PWM; capacitor voltage balance; three-level

2016-06-30

广东省公益研究与能力建设专项(2015A010106018)；广东省教育厅高校创新人才项目(2014KQNCX 217)。

张志(1981—)，男，湖南华容人，高级工程师，博士后，主要从事电力电子装置系统及其控制研究。

TM464

A

1009-0312(2016)05-0034-07