CN102307018A - 一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电路设计技术领域中的一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法。逆变电路包括直流电容、第一三相桥式逆变电路、第二三相桥式逆变电路和三相隔离变压器；电压空间矢量脉冲宽度调制方法包括：获取逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合；根据期望电压空间矢量计算调制度；根据调制度，确定合成期望电压空间矢量的基本电压空间矢量，找到其所对应的开关管开关状态组合，从中选取开关次数最少的开关管开关状态组合；按照选取的开关管开关状态组合调节开关管，实现期望电压空间矢量的合成。本发明解决了直流侧电容电压不均衡的问题并达到矢量切换时开关动作次数最少的目的。

Description

一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，尤其涉及一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法。

背景技术

在中压大功率电能变换应用中，多电平逆变技术以其独特的优势受到越来越多的重视。相对于传统的两电平逆变电路，多电平逆变器具有输出电压电平数目多、谐波含量少、由开关动作引起的du/dt小、器件耐压要求降低、产生相同输出时器件开关频率低等优点。

常见的多电平结构主要有二极管钳位型多电平逆变器、电容钳位型多电平逆变器、具有独立直流电源的H桥级联型逆变器。以三电平为例，二极管钳位型三电平逆变器和电容钳位型三电平逆变器分别通过钳位二极管和钳位电容实现相电压的零电平输出，从而增加输出电压的阶梯电平数目。但这两种结构在零电平的引入时，导致了电容电压不均衡的问题。H桥级联型逆变器依靠级联叠加的方式来增加输出电压的电平数目，不存在电容电压不均衡问题，但所有H桥的直流输入电源必须相互隔离，因而其供电系统结构比较复杂。

另外，目前逆变器的调制技术大都采用正弦波脉宽调制、特定谐波消除脉宽调制、电流滞环跟踪调制以及电压SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉冲宽度调制)。其中，电压SVPWM控制方式具有直流电压利用率高、动态响应速度快、易于数字化实现等突出优点。而且，由于多电平逆变器能够产生更多的基本电压空间矢量，期望电压空间矢量合成方式也更加灵活多样，因此多电平逆变器较多的采用电压SVPWM控制方式。

电压SVPWM控制方式的实现，因逆变器主电路拓扑的差异而各不相同。图1是传统的三相桥式两电平逆变器电路图。图1中，传统的三相桥式两电平逆变器包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成。每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成。图1中，每个桥臂有两种输出状态，即上半桥臂导通且下半桥臂关断的P状态和上半桥臂关断且下半桥臂导通的N状态。这样，三个桥臂一共可产生8种不同组合的输出状态。每一种输出状态在三相输出端A1、B1和C1都会产生相应的3个相对于直流侧假想中点(图1中的O′点)的相电压。根据这3个相电压的轴线在空间位置上依次相差120度的对称关系(如图2所示)，由平行四边形法则可以合成一个基本电压空间矢量。图1中传统的三相桥式两电平逆变器电路可以合成6个基本电压空间矢量，其开关管开关状态与基本电压空间矢量对应关系图如图3所示。图3中，“P”和括号中的“1”代表上半桥臂(例如T1)导通，同时下半桥臂(例如T4)关断的状态。“N”和括号中的“0”代表上半桥臂(例如T1)关断，同时下半桥臂(例如T4)导通的状态。PNN(100)则代表图1中从左至右三个桥臂的开关管的开关状态，即T1、T6、T2导通，同时开关管T4、T3、T5关断的状态。假设三相桥式两电平逆变器某一时刻的输出状态为PNN(100)，即A相电压为U_d/2，B、C相电压为-U_d/2，合成矢量为U_de^j0(其中，U_d为直流电源的电压，U_de^j0为电压矢量极坐标表示方式)，按照等功率原则乘以

的系数，得到最终基本电压空间矢量为按照相同的方式可以得到另外5个幅值相等，相位依次相差60度的基本电压空间矢量，以及两个输出状态对应幅值为零的零矢量，具体如图3所示。在电压SVPWM控制方式，当得到基本电压空间矢量后，期望电压空间矢量按照伏秒平衡法则由相邻的两个基本电压空间矢量以不同的作用时间来合成。

二极管钳位型三电平逆变器每个桥臂有三种输出状态，上半桥臂两个开关管导通且下半桥臂两个开关管关断的P状态、上半桥臂两个开关管关断且下半桥臂两个开关管导通的N状态、中间两个开关管导通其余两个开关管关断的O状态，三个桥臂一共可以产生27种不同的组合，其中有19个互斥的基本电压空间矢量，期望电压空间矢量的合成矢量可以从这19个基本电压空间矢量中选取。由于二极管钳位型三电平逆变器本身的结构特点，O状态导致了对直流侧电容的充放电作用，从而产生电容电压不均衡问题，因此基本电压空间矢量的选择受到电容电压不均衡问题的限制。并且，同一个桥臂的状态禁止在P状态和N状态间直接切换，中间必须添加O状态作为过渡状态，这就再次限制了合成矢量的选择范围。二极管钳位型三电平逆变器虽然增加了输出电压的电平数目，但其输出线电压基波的最大幅值没有增加，仍然为直流侧电压。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法，用以解决上述背景技术中提及的逆变器或者逆变电路及其控制方法存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种逆变电路，其特征是所述逆变电路包括直流电容、第一三相桥式逆变电路、第二三相桥式逆变电路和三相隔离变压器；

其中，所述直流电容跨接于直流侧的直流电源正负极之间；

所述第一三相桥式逆变电路和第二三相桥式逆变电路的输入端与直流电容并联，共用直流电源；

所述第一三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器二次侧的x、y和z端相连；

所述第二三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器一次侧的A、B和C端相连；

所述三相隔离变压器的一次侧为星形连接，二次侧的a、b和c端分别与负载的三相输入端连接；

所述第一三相桥式逆变电路和第二三相桥式逆变电路分别包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成；每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成。

一种逆变电路的电压空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：根据基本电压空间矢量的分析方法，获取逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合；

步骤2：根据期望电压空间矢量计算调制度；

步骤3：根据调制度，确定合成期望电压空间矢量的基本电压空间矢量；找到所述确定的基本电压空间矢量所对应的开关管开关状态组合，从中选取开关次数最少的开关管开关状态组合；

步骤4：按照选取的开关管开关状态组合调节开关管，实现期望电压空间矢量的合成。

所述调制度的计算公式为

其中，V_s为期望电压空间矢量，|V_s|为期望电压空间矢量的幅值，U_d为直流电源的电压，

为线性调制时期望电压空间矢量所允许的最大幅值。

本发明提供的逆变电路采用双桥隔离串联型电路，解决了箝位型三电平逆变电路直流侧电容电压不均衡的问题。同时，本发明在基本电压空间矢量选择与合成过程中的灵活性更大，通过适当选择基本电压空间矢量的不同开关状态组合，达到矢量切换时开关动作次数最少的目的。另外，当本发明提供的逆变电路的两个三相桥式逆变电路中的某个开关器件出现故障时，另一个三相桥式逆变电路可以切换到传统的三相桥式两电平逆变器的工作方式继续工作，从而保证关键设备的连续运行。

附图说明

图1是传统的三相桥式两电平逆变器电路图；

图2是3个相电压的轴线在空间位置上依次相差120度的对称关系图；

图3是传统的三相桥式两电平逆变器的开关管开关状态与基本电压空间矢量对应关系图；

图4是本发明提供的逆变电路的电路图；

图5是逆变电路的电压空间矢量脉冲宽度调制方法流程图；

图6是逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关组合状态对应表；

图7是本发明提供的逆变电路的基本电压空间矢量图；

图8是m≤0.5时的开关动作顺序示意图；

图9是

时的开关动作顺序示意图；

图10是时的开关动作顺序示意图；

图11是

时的开关动作顺序示意图；

图12是m＝1时的开关动作顺序示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图4是本发明提供的逆变电路的电路图。图4中，本发明提供的逆变电路包括直流电容C、第一三相桥式逆变电路、第二三相桥式逆变电路和三相隔离变压器T。其中，直流电容C跨接于直流侧的直流电源正负极之间。第一三相桥式逆变电路和第二三相桥式逆变电路的输入端与直流电容C并联，共用直流电源。第一三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器T二次侧的x、y和z端相连，第二三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器T一次侧的A、B和C端相连。三相隔离变压器T的一次侧为星形连接，即三相隔离变压器T一次侧的X、Y和Z端与中性点N2连接，三相隔离变压器T的二次侧的a、b和c端分别与负载L的三相输入端连接，N1为负载的中性点。

上述第一三相桥式逆变电路包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成，每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成，分别是T11、D11、T14、D14、T13、D13、T16、D16、T15、D15、T12和D12。第二三相桥式逆变电路也包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成，每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成，分别是T21、D21、T24、D24、T23、D23、T26、D26、T25、D25、T22和D22。

图5是逆变电路的电压空间矢量脉冲宽度调制方法流程图。图5中，基于本发明提供的逆变电路的电压空间矢量脉冲宽度调制方法包括：

步骤1：根据基本电压空间矢量的分析方法，获取逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合。

基本电压空间矢量的分析方法在背景技术中已经提及，即传统的三相桥式两电平逆变器每个桥臂有两种输出状态，三个桥臂一共有8种输出状态，每一种输出状态在三相输出端A、B、C产生相应的3个相对于直流侧假想中点的相电压，再根据三相电压的轴线在空间位置上依次相差120度的对称关系，由平行四边形法则得到一个合成的基本电压空间矢量，从而可以获得传统的三相桥式两电平逆变器的所有基本电压空间矢量。

利用这种方法，可以分析出本发明提供的逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合。例如，某一时刻两个三相桥逆变电路的输出状态均为PNN(100)，则输出端a相对于直流侧假想中点的相电压为U_d/2+U_d/2＝U_d，输出端b相对于直流侧假想中点的相电压为-U_d/2-U_d/2＝-U_d，输出端c相对于直流侧假想中点的相电压为-U_d/2-U_d/2＝-U_d。把两个三相桥式逆变电路当做一个整体来看，每个桥臂仍然有两种输出状态P和N，6个桥臂一共可得到64种开关状态组合，按照上述基本电压空间矢量的分析方法逐一分析这64种输出状态后能够得到本发明提供的逆变电路的所有基本电压空间矢量。

我们以K_xy代表开关管开关状态组合，其中x表示第一三相桥式逆变电路的开关管开关状态所对应的序号。如图3所示，当x＝1时，第一三相桥式逆变电路的开关管开关状态为开关管T11、T16、T12导通，同时开关管T14、T13、T15关断，以此类推。y表示第二三相桥式逆变电路的开关管开关状态所对应的序号，依然以图3作为参照，当y＝1时，第二三相桥式逆变电路的开关管开关状态为开关管T21、T26、T22导通，同时开关管T24、T23、T25关断，以此类推。显然有x≤8且y≤8。则K₂₆所代表的开关管开关状态组合为：第一三相桥式逆变电路的开关管T11、T13、T12导通，同时开关管T14、T16、T15关断；第二三相桥式逆变电路的开关管T21、T26、T25导通，同时开关管T24、T23、T22关断。

经过上述分析，我们可以得出本发明提供的逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合对应关系，如图6所示。例如，当开关管开关状态组合为K₁₂时，即第一三相桥逆变电路的输出状态为PNN(100)，第二三相桥逆变电路的输出状态为PPN(110)，则第一三相桥逆变电路三相输出端A1、B1、C1相对于直流侧假想中点的相电压分别为U_d/2、-U_d/2、-U_d/2，第二三相桥逆变电路三相输出端A2、B2、C2相对于直流侧假想中点的相电压分别为U_d/2、U_d/2、-U_d/2，两组三相输出经过隔离变压器T叠加后，输出端a、b、c相对于直流侧假想中点的相电压分别为U_d、0、-U_d，合成的基本电压空间矢量为

同样的，当第一三相桥逆变电路的输出状态为PPN(110)，同时第二三相桥逆变电路的输出状态为PNN(100)时，也可以产生基本电压空间矢量V_m1。

根据基本电压空间矢量的幅值，我们可以将基本电压空间矢量分为4类，即幅值为

的小矢量V_s1∶V_s6，幅值为

的中矢量V_m1∶V_m6，幅值为的大矢量V_b1∶V_b6以及零矢量V₀。图7是本发明提供的逆变电路的基本电压空间矢量图，从图7中可以看出，基本电压空间矢量中的6个大矢量将整个矢量空间平面分成6个扇区，每个扇区再分成4个小三角形区域Δ₀、Δ₁、Δ₂、Δ₃。以第一扇区为例，当期望电压空间矢量V_s位于Δ₀区域时，可以由基本电压空间矢量V_s1、V_s2、V₀来合成；当期望电压空间矢量V_s位于Δ₁区域时，可以由基本电压空间矢量V_b1、V_m1、V_s1来合成；当期望电压空间矢量V_s位于Δ₂区域时，可以由基本电压空间矢量V_s2、V_s1、V_m1来合成；当期望电压空间矢量V_s位于Δ₃区域时，可以由基本电压空间矢量V_m1、V_b2、V_s2来合成。

步骤2：根据期望电压空间矢量计算调制度。

为了方便期望电压空间矢量的合成，先计算调制度。调制度的计算公式为

其中，V_s为期望电压空间矢量，|V_s|为期望电压空间矢量的幅值，U_d为直流电源的电压，

为线性调制时期望电压空间矢量所允许的最大幅值。

步骤3：根据调制度，确定合成期望电压空间矢量的基本电压空间矢量，找到其所对应的开关管开关状态组合，从中选取开关次数最少的开关管开关状态组合。

我们根据调制度m的计算结果，分成5种情况，分别为m≤0.5、

m＝1进行考虑。之所以分成上述5种情况，是因为在一个输出电压周期中，这5种情况下期望电压空间矢量末端所遍历过的三角形区域是各不相同的。当m≤0.5时，期望电压空间矢量V_s将在各个扇区的Δ₀区域间切换；当

时，Vs将在Δ₀、Δ₂、Δ₀以及下一个扇区的Δ₀间依次切换；当

时，V_s将在各个扇区的Δ₂区域间切换；当

时，V_s将在Δ₁、Δ₂、Δ₃以及下一个扇区的Δ₁间依次切换；当m＝1时，V_s将在Δ₁、Δ₃以及下一个扇区的Δ₁间依次切换；根据这5种不同的情况，通过为期望电压空间矢量选择适当的开关状态组合，以及合理的安排基本电压空间矢量的作用顺序，使期望电压空间矢量V_s在同一扇区的不同三角形区域间或者在不同扇区间切换时，器件的开关动作次数最少。

(1)当m≤0.5时，期望电压空间矢量V_s在一个输出电压周期中将会遍历6个扇区的Δ₀区域，如图7靠近中心的阴影部分所示，此时V_s的合成只需要6个小矢量V_s1∶V_s6，分别为小矢量V_s1、V_s2、V_s3、V_s4、V_s5、V_s6，其开关管开关状态组合选择K₁₇、K₂₇、K₃₇、K₄₇、K₅₇、K₆₇的开关状态组合，零矢量V₀选择K₇₇、K₈₇，实质上第二三相桥逆变电路采用的输出状态为序号7(即开关管T21、T23、T25导通，同时开关管T24、T26、T22关断)，并且其整个周期不动作，采用零矢量集中实现的方式，以第一扇区和第二扇区间切换为例的开关动作如图8所示，每次矢量切换只涉及到一个桥臂，而且扇区间切换时也只涉及到一个桥臂动作。

(2)当

时，Vs将在Δ₀、Δ₂、Δ₀以及下一个扇区的Δ₀间依次切换，如图7中间阴影部分所示，以第一扇区为例，Δ₀区域的V_s1、V_s2、V₀矢量分别选择K₁₇、K₂₇、K₇₇的开关管开关状态组合；Δ₂区域的V_s2、V_s1、V_m1矢量分别选择K₂₇、K₁₇、K₁₂的开关管开关状态组合，3个矢量的作用时间依次为t₁、t₂、t₀，采用如图9的开关动作方式，由图可知，当V_s在Δ₀和Δ₂间来回切换时，只有一个三相桥的一个桥臂需要动作，达到了减少开关动作的目的。

(3)当时，V_s将在各个扇区的Δ₂区域间切换，以第一扇区和第二扇区间的切换为例，第一扇区Δ₂区域的V_s2、V_s1、V_m1矢量分别选择K₂₇、K₁₇、K₁₂的开关管开关状态组合；第二扇区Δ₂区域的V_s3、V_s2、V_m2矢量分别选择K₂₄、K₂₇、K₂₃的开关管开关状态组合，3个矢量的作用时间依次为t₁、t₂、t₀，开关动作顺序如图10所示，在第二扇区中将矢量V_s3和V_s2的输出顺序交换，这样使得V_s在不同扇区的Δ₂区域间切换时开关不需要动作。

(4)当

时，V_s将在Δ₁、Δ₂、Δ₃以及下一个扇区的Δ₁间依次切换，如图7远离中心的阴影部分所示，以第一扇区为例，Δ₁区域的V_b1、V_m1、V_s1矢量分别选择K₁₁、K₁₂、K₁₈的开关管开关状态组合；Δ₂区域的V_s2、V_s1、V_m1矢量分别选择K₂₇、K₁₇、K₂₁的开关管开关状态组合；Δ₃区域的V_m1、V_b2、V_s2矢量分别选择K₂₁、K₂₂、K₂₈的开关管开关状态组合；3个矢量的作用时间依次为t₁、t₂、t₀，开关动作顺序如图11所示，Δ₁区域的V_s2和V_s1矢量以及Δ₃区域的V_m1和V_b2矢量输出顺序交换，由图可知第一三相桥逆变电路在一个扇区只进行一次矢量切换，在整个输出电压周期中只进行6次矢量切换，因此第一个桥的开关频率很低，第二三相桥逆变电路在一个采样控制周期内有两个桥臂动作两次，有一个桥臂不动作。

(5)当m＝1时，V_s将在Δ₁、Δ₃以及下一个扇区的Δ₁间依次切换，以第一扇区为例，Δ₁区域的V_b1、V_m1、V_s1矢量分别选择K₁₁、K₁₂、K₁₈的开关状态组合；Δ₃区域的V_m1、V_b2、V_s2矢量分别选择K₁₂、K₂₂、K₂₇的开关状态组合；3个矢量的作用时间依次为t₁、t₂、t₀，开关动作顺序如图12所示，Δ₁区域的V_b1和V_m1矢量的作用顺序需要交换，这样使得V_s从Δ₁切换到Δ₃区域时开关不需要动作。

步骤4：按照选取的开关管开关组合状态调节开关管，实现期望电压空间矢量的合成。

本发明提供的逆变电路采用双桥隔离串联型电路，其输出电平数目的增加是通过两个三相桥输出电平的叠加产生的，因此本发明不存在直流侧电容电压不均衡的问题。同时，本发明在基本电压空间矢量选择与合成过程中的灵活性更大，通过适当选择基本电压空间矢量的不同开关状态组合，达到矢量切换时开关动作次数最少的目的。另外，当本发明提供的逆变电路的两个三相桥式逆变电路中的某个开关器件出现故障时，另一个三相桥式逆变电路可以切换到传统的三相桥式两电平逆变器的工作方式继续工作，从而保证关键设备的连续运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种逆变电路，其特征是所述逆变电路包括直流电容、第一三相桥式逆变电路、第二三相桥式逆变电路和三相隔离变压器；

其中，所述直流电容跨接于直流侧的直流电源正负极之间；

所述第一三相桥式逆变电路和第二三相桥式逆变电路的输入端与直流电容并联，共用直流电源；

所述第一三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器二次侧的x、y和z端相连；

所述第二三相桥式逆变电路的三相输出端分别与三相隔离变压器一次侧的A、B和C端相连；

所述三相隔离变压器的一次侧为星形连接，二次侧的a、b和c端分别与负载的三相输入端连接；

所述第一三相桥式逆变电路和第二三相桥式逆变电路分别包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成；每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成。

2.一种如权利要求1所述的逆变电路的电压空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：根据基本电压空间矢量的分析方法，获取逆变电路的基本电压空间矢量及其对应的开关管开关状态组合；

步骤2：根据期望电压空间矢量计算调制度；

步骤3：根据调制度，确定合成期望电压空间矢量的基本电压空间矢量；找到所述确定的基本电压空间矢量所对应的开关管开关状态组合，从中选取开关次数最少的开关管开关状态组合；

步骤4：按照选取的开关管开关状态组合调节开关管，实现期望电压空间矢量的合成。

3.根据权利要求2所述的电压空间矢量脉冲宽度调制方法，其特征是所述调制度的计算公式为

其中，V_s为期望电压空间矢量，|V_s|为期望电压空间矢量的幅值，U_d为直流电源的电压，

为线性调制时期望电压空间矢量所允许的最大幅值。

Images