CN101860244B - 单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的半周期控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种对单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制方法。单相二极管箝位型五电平半桥逆变器由电源电路(1)、带箝位二极管的半桥桥臂及滤波电路(2)、输出电路(3)依次连接组成，半桥输出的五电平电压经输出滤波器L和C滤波后给负载R供电。该控制方法的基本思想是在电流大于零时，只控制上桥臂的开关管S₁、S₂、S₃和S₄，给下桥臂半个周期关断信号，在电流小于零时，只控制上桥臂的开关管S₅、S₆、S₇和S₈，给上桥臂半个周期关断信号。本发明的半周期PWM控制方法，解决了五电平桥式逆变器PWM控制中加入死区带来的死区效应问题。

Description

单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的半周期控制方法

技术领域

本发明涉及一种单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制技术领域。

背景技术

随着社会的发展，高压大容量逆变器的应用越来越广泛，并且随着输入电压等级的不断提高，传统两电平的局限性越来越明显，首先受到电力电子器件耐压的限制，另外EMI大、输出电压谐波含量大等。为了解决这一问题，多电平逆变器应运而生，其中二极管箝位型多电平逆变器因其控制和拓扑简单而应用广泛。其控制方法也多种多样，但是这些控制方法应用于桥式电路时，均需要加入死区，死区时间的加入使得桥臂输出电压不再是理想的SPWM波，进而会产生波形畸变，并会造成一定的基波损失，低次谐波含量增加等一系列死区效应问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对五电平二极管箝位型半桥逆变器现有的控制技术存在的缺陷提出一种半周期控制策略，可以消除死区效应问题。

半周期控制方法模式方法的特征在于电流大于零时，只控制上桥臂的开关管S₁、S₂、S₃和S₄，给下桥臂半个周期关断信号；在电流小于零时，只控制下桥臂的开关管S₅、S₆、S₇和S₈，给上桥臂半个周期关断信号，可以实现输出五电平的同时不存在死区效应的问题。半周期控制模式在控制中加入了输出电感电流的极性这一控制参数，在输出某个电平时，根据当前的电感电流极性来选择开关状态，从而关断了一些不必要的开关管，实现了无死区工作。

本发明采用PWM控制的实现方法，属于恒频控制，桥臂输出谐波频谱分布规律，可以更方便的设计输出低通滤波器。

附图说明

图1：二极管箝位型五电平半桥逆变器主电路拓扑原理图；

图2：二极管箝位型五电平半桥逆变电路的桥臂输出电压V_A和经滤波器滤波得到的输出电压v_o波形；

图3：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器输出滤波电感电流大于零(i_L＞0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；

图4：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器输出滤波电感电流小于零(i_L＜0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；

图5：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器的五电平多载波原理图及多调制波原理图；

图6：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制框图；

图7：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器电感电流过零时电流的波形示意图；

图8：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器带两种不同负载情况下功率管的驱动信号波形；

图9：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器电感电流由正过零变负模态分析示意图；

图10：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器运行时的无死区实现策略；

图11：本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器在S₄和S₅之间加入死区时间后的电流过零情况分析；

图12：本发明半周期PWM控制的五电平半桥在两种不同负载情况下仿真实验波形。

图中的主要符号名称：U_d1、U_d2、U_d3、U_d4---分别为第一直流电源、第二直流电源、第三直流电源、第四直流电源，S₁～S₈---分别为第一功率开关管～第八功率开关管，L---输出滤波电感，C_f---输出滤波电容，D_S1～D_S8---分别为第一寄生体二极管～第八寄生体二极管，i_L---输出滤波电感电流，u_r---三角载波，v_o---输出电压，v_of---采样的输出电压，v_ref---基准正弦波电压，u_e---电压环输出电压并作为输出电感电流的基准，V_A---桥臂输出电压，R---负载，u_s---基准正弦波电压，u_r1～u_r4---四个三角载波，gs₁---第一功率开关管的驱动波形，gs₂---第二功率开关管驱动波形，gs₃---第三功率开关管的驱动波形，gs₄---第四功率开关管驱动波形，gs₅---第五功率开关管驱动波形，gs₆---第六功率开关管驱动波形，δ₁---M1或M7的持续时间，δ₂---S₄、S₅之间加入的死区时间，t₁、t₂---电流由正变负的两种可能时刻。

具体实施方式

如图2所示，半桥桥臂输出电压V_A和经滤波器滤波得到的输出电压v_o波形，其中桥臂输出五个电平：“+2U_d”、“+U_d”、“0”、“-U_d”和“-2U_d”(以第二直流电压源阴极为参考点)。当输出电压v_o＞0时，半桥桥臂输出电平“0”、“+U_d”之间切换(a区)或者电平“+U_d”、“+2U_d”之间切换(b区)；当输出电压v_o＜0时，半桥桥臂输出电平“0”、“-U_d”之间切换(c区)或者电平“-U_d”、“-2U_d”之间切换(d区)。

输出“+2U_d”电平，i_L＞0时，如图3(f)，上半桥臂所有功率开关管导通，即S₁、S₂、S₃和S₄同时导通，电流从U_d1阳极流出，经过S₁、S₂、S₃、S₄、输出滤波电感和滤波电容流入U_d2的阴极；i_L＜0，如图4(c)，所有功率开关管关断，电流经过D_S4、D_S3、D_S2和D_S1，流入U_d1的阳极。

输出“+U_d”电平，i_L＞0时，如图3(e)，S₂、S₃和S₄导通，电流从U_d2阳极流出，经过D₁、S₂、S₃和S₄和输出滤波电感和滤波电容流入U_d2的阴极；i_L＜0，如图4(b)，S₅开通，电流经过S₅、D₁₂、D₈和D₂，流入U_d2的阳极。

输出“0”电平，i_L＞0，如图3(a)和3(d)，S₃和S₄开通，电流在D₃、D₇、S₃、S₄和输出滤波器之间续流；i_L＜0，如图4(a)和4(d)，S₅和S₆开通，电流在S₅、S₆、D₁₀和D₄和输出滤波器之间续流。

输出“-U_d”电平，i_L＞0，如图3(b)，S₄开通，电流从U_d3的阴极流出，经过D₅、D₉、D₁₁和S₄流向滤波电感；i_L＜0，如图4(e)，S₅、S₆和S₇开通，电流经过S₅、S₆、S₇和D₆流入U_d3的阴极。

输出“-2U_d”电平，i_L＞0，如图3(c)，所有功率开关管关断，电流从U_d4的阴极流出，经过D_S8、D_S7、D_S6和D_S5流向滤波电感；i_L＜0，如图4(f)，S₅、S₆、S₇和S₈开通，电感电流从输出滤波器经S₅、S₆、S₇和S₈流入U_d4的阴极。

表1为以上十个工作模态(记为M1～M10)半周期运行时的工作模态分配表，其中OFF表示器件关断，ON表示器件导通。

图5为载波交截PWM实现的基本原理图，将正弦调制波(u_s)与四个三角载波(u_r1、u_r2、u_r3、u_r4)比较，当u_s＞u_r4时，半桥输出电平“+2U_d”，当u_r3＜u_s＜u_r4时，半桥输出“+U_d”电平，当u_r2＜u_s＜u_r3时，半桥输出“0”电平，当u_r2＜u_s＜u_r3时，半桥输出“-U_d”电平，当u_s＜u_r1时，半桥输出“-2U_d”电平。

图6为实现半周期的工作模式，该半周期控制的二极管箝位型五电平半桥逆变器采用的控制方案，将采样的输出电压(v_o)与给定的基准正弦波电压(u_r)经电压调节器后得到电压环输出电压(u_e)，该信号即作为电流环的基准。将电流基准(u_e)与采样的电感电流(i_L)经电流调节器后得到正弦调制波(u_s)。将电流基准(u_e)和正弦调制波(u_s)各自通过过零比较器分别得到输出电感电流的极性和输出电压的极性。将正弦调制波(u_s)与四个载波比较得到当前需要输出的电平，根据当前电流基准的极性得到输出电感电流的极性，再结合表一可以唯一确定当前的工作模态。最后将得到的半桥输出五电平电压经低通滤波器后输出正弦波电压。

表1半周期运行时的工作模态分配表

图7为电流过零时电感电流的波形示意图。在u_e很小时，电感电流下降到零后，由于仍未给下桥臂的功率管驱动，所以在该周期结束前会一直维持在零，即进入断续状态，直到下个周期开始，电感电流从零开始上升。当u_e过零后，电流的工作状态也会如此，出现几个周期的断续情况。

图8为在两种不同负载情况下功率管的驱动信号波形，以电流由正过零变负为例，u_e1负载时，在过零前的b区，S₁、S₂、S₃和S₄同时导通，过零后仍处于b区，无开关管导通，不会出现直通的问题。负载u_e2时，在过零前的a区，S₂、S₃和S₄同时导通，过零后仍处于a区，S₄导通，不会出现直通的问题。同样可以分析在电流由负过零变正的情况，不需要加入死区时间。

但由于本方案采用恒频控制，在当前模态运行结束后立刻运行下一个模态，考虑到各模态运行的时间，如图9(a)中所示，若M4与M6之间的M1运行的时间δ₁持续得过短，则M4模态中S₂还未来得及完全关断，M6模态中的S₆就开通了，这样就会存在S₂、S₃、S₄、S₅和S₆之间的直通问题。同样在图9(b)中，若M4与M6之间的M7运行的时间δ₁持续得过短，则M4模态中S₂还未来得及完全关断，M6模态中的S₆就开通了，这样也会存在S₂、S₃、S₄、S₅和S₆之间的直通问题。为了避免直通，必须在驱动电路中加入死区时间。

本发明的半周期控制方案，只需采用如图10的解决措施，即在S₄和S₅之间加入死区。因为是半周期控制，在一个输出正弦波周期中只需要加入两次死区时间即可解决桥臂的直通问题，对于一个输出周期来说，由于死区时间引起的死区效应问题可以忽略，从而消除了传统控制方案中死区效应的问题。在S₄和S₅之间加入死区时间后的电流过零情况分析如图11。

Claims (2)

1.一种二极管箝位型五电平半桥逆变器的半周期PWM控制方法，其特征在于，在输出滤波电感电流大于零时，只控制上桥臂的第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)和第四功率开关管(S₄)，给下桥臂的第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第七功率开关管(S₇)和第八功率开关管(S₈)半个周期关断信号，在输出滤波电感电流小于零时，只控制下桥臂的第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第七功率开关管(S₇)和第八功率开关管(S₈)，给上桥臂的第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)和第四功率开关管(S₄)半个周期关断信号，在半周期控制逻辑中，利用输出滤波电感电流极性这一参数，关断一些不必要的开通信号，实现无死区运行，第一直流电压源(U_d1)、第二直流电压源(U_d2)、第三直流电压源(U_d3)和第四直流电压源(U_d4)的电压值均为U_d，输出滤波电感电流为i_L，以第二直流电压源(U_d2)阴极为参考点，半桥输出五个电平：“+2U_d”、“+U_d”、“0”、“-U_d”和“-2U_d”，其控制方法特征在于：

(1)输出“+2U_d”电平时，i_L＞0时，上桥臂所有功率开关管开通，即第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)和第四功率开关管(S₄)同时开通，输出滤波电感电流从第一直流电压源(U_d1)阳极流出，经过第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、输出滤波电感(L)、输出滤波电容(C_f)和负载(R)流入第二直流电压源(U_d2)的阴极；i_L＜0时，所有功率开关管关断，输出滤波电感电流经过第四寄生二极管(D_S4)、第三寄生二极管(D_S3)、第二寄生二极管(D_S2)和第一寄生二极管(D_S1)，流入第一直流电压源(U_d1)的阳极；

(2)输出“+U_d”电平时，i_L＞0时，第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)和第四功率开关管(S₄)开通，输出滤波电感电流从第二直流电压源(U_d2)阳极流出，经过第一箝位二极管(D₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)和输出滤波电感(L)、输出滤波电容(C_f)和负载(R)流入第二直流电压源(U_d2)的阴极；i_L＜0时，第五功率开关管(S₅)开通，输出滤波电感电流经过第五功率开关管(S₅)、第十二箝位二极管(D₁₂)、第八箝位二极管(D₈)和第二箝位二极管(D₂)，流入第二直流电压源(U_d2)的阳极；

(3)输出“0”电平，i_L＞0时，第三功率开关管(S₃)和第四功率开关管(S₄)开通，输出滤波电感电流在第三箝位二极管(D₃)、第七箝位二极管(D₇)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、输出滤波电感(L)、输出滤波电容(C_f)和负载(R)之间续流；i_L＜0时，第五功率开关管(S₅)和第六功率开关管(S₆)开通，输出滤波电感电流在第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第十箝位二极管(D₁₀)、第四箝位二极管(D₄)、输出滤波电感(L)、输出滤波电容(C_f)和负载(R)之间续流；

(4)输出“-U_d”电平，i_L＞0时，第四功率开关管(S₄)开通，输出滤波电感电流从第三直流电压源(U_d3)的阴极流出，经过第五箝位二极管(D₅)、第九箝位二极管(D₉)、第十一箝位二极管(D₁₁)和第四功率开关管(S₄)流向输出滤波电感；i_L＜0时，第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)和第七功率开关管(S₇)开通，输出滤波电感电流经过第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第七功率开关管(S₇)和第六箝位二极管(D₆)流入第三直流电压源(U_d3)的阴极；

(5)输出“-2U_d”电平，i_L＞0时，所有功率开关管关断，输出滤波电感电流从第四直流电压源(U_d4)的阴极流出，经过第八寄生二极管(D_S8)、第七寄生二极管(D_S7)、第六寄生二极管(D_S6)、第五寄生二极管(D_S5)流向输出滤波电感；i_L＜0时，第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第七功率开关管(S₇)和第八功率开关管(S₈)开通，输出滤波电感电流从输出滤波电感经第五功率开关管(S₅)、第六功率开关管(S₆)、第七功率开关管(S₇)和第八功率开关管(S₈)流入第四直流电压源(U_d4)的阴极。

2.根据权利要求1所述的五电平半桥逆变器的半周期PWM控制方法控制的单相二极管箝位型五电平半桥逆变器采用的控制方案，其特征为将采样的输出电压(v_of)和给定的基准正弦波电压(v_ref)作为电压调节器的两个输入，电压调节器输出电压作为输出滤波电感电流基准(u_e)，输出滤波电感电流(i_L)经过霍尔电流传感器，将电流信号输出滤波电感电流(i_L)转换为电压信号输出滤波电感电流采样信号，然后将输出滤波电感电流基准(u_e)和输出滤波电感电流采样信号作为电流调节器的两个输入，电流调节器输出调制波(u_s)，以输出滤波电感电流基准(u_e)的极性来判断输出滤波电感电流的极性，同时调制波(u_s)与四个三角载波(ur1～ur4)比较来得到当前半桥逆变器需要输出的电平，这样根据权利要求1所述的半周期PWM控制方法通过滤波电感电流的极性和半桥逆变器需要输出的电平便能唯一确定八个功率开关管(S₁～S₈)的开关状态，半桥逆变器输出的五电平电压经输出滤波电感(L)和输出滤波电容(C_f)组成的输出低通滤波器滤除高次谐波，并联在输出滤波电容(C_f)两端的负载上得到正弦波输出电压。

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