CN102723889B - 逆变器及其pwm调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器及其PWM调制方法，该PWM调制方法包括：提供一调制信号；根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值；将三次谐波注入调制信号，生成PWM驱动信号；将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制逆变器开关管的闭合或断开。通过上述方式，本发明能够使得逆变器具有最高的母线利用率和最小的输出共模电压，避免产生较大的对地漏电流和电磁干扰。

Description

逆变器及其PWM调制方法

技术领域

本发明涉及逆变器领域，特别是涉及一种逆变器及其PWM调制方法。

背景技术

逆变器在可再生能源的开发和利用领域具有至关重要的作用。逆变器通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能转换为交流电能的一种电力电子转换器。现有技术的逆变器通过在PWM(PulseWidth Modulation，脉宽调制)调制信号注入共模电压来提高逆变器的母线电压的利用率，其中，共模电压为逆变器输出中点相对于电位固定的接地机壳的电压。由于共模电压的电压比较高，并且包含高频率成分，而逆变器输出的负载与接地机壳之间存在耦合电容，因此在PWM调制信号注入共模电压会导致耦合电容产生漏电流，当漏电流的幅值超过阈值时，加上共模电压的高频成分，以使电流产生的电磁场辐射出去，进而造成电磁干扰。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种逆变器及其PWM调制方法，以使得逆变器具有最高的母线利用率和最小的输出共模电压。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种PWM调制方法，其包括：提供一调制信号；根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值；将三次谐波注入调制信号，生成PWM驱动信号；将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制逆变器开关管的闭合或断开；其中，调制信号的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为调制信号的幅值，V_dc为逆变器直流母线的电压值；

根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值包括：

当调制比M<＝1时，三次谐波幅值为0；

当调制比时，三次谐波幅值为调制信号的幅值的1/6；

当调制比时，三次谐波为最小幅值的三次谐波。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种逆变器，其包括一处理单元，处理单元用于产生调制信号和三次谐波，其中，处理单元根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值，处理单元将三次谐波注入调制信号，生成PWM驱动信号，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制逆变器开关管的闭合或断开；其中，调制信号的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为调制信号的幅值，V_dc为逆变器直流母线的电压值；其中：

当调制比M<＝1时，三次谐波幅值为0；

当调制比时，三次谐波幅值为调制信号的幅值的1/6；

当调制比时，三次谐波为最小幅值的三次谐波。

本发明的有益效果是：本发明中通过在调制信号注入三次谐波，生产PWM驱动信号，其中，根据调制比M的大小控制注入的三次谐波的幅值，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以使得逆变器具有最高的母线利用率和最小的输出共模电压，避免产生较大的对地漏电流和电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的PWM调制方法的第一实施例的流程图；

图2是本发明的PWM调制方法的第二实施例的调制比与三次谐波的注入量的关系曲线示意图；

图3是本发明第一实施例的逆变器的电路图；

图4是注入三次谐波以产生PWM驱动信号的示意图；

图5是本发明第三实施例的逆变器的电路图；

图6是本发明第四实施例的逆变器的电路图；

图7是本发明第五实施例的逆变器的电路图；

图8是本发明第六实施例的逆变器的电路图；

图9是本发明第七实施例的逆变器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明的PWM调制方法的第一实施例的流程图。本实施例所揭示的PWM调制方法应用于逆变器，其中，逆变器的直流母线输入直流电压，逆变器的处理单元根据PWM调制方法控制逆变器开关管的闭合或断开，以使逆变器输出交流电压。如图1所示，本实施例所揭示的PWM调制方法包括以下步骤：

步骤101：提供一调制信号；

步骤102：根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值；

步骤103：将三次谐波注入调制信号，生成PWM驱动信号；

步骤104：将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制逆变器开关管的闭合或断开。

在本实施例中，处理单元提供一调制信号，并根据该调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值。其中，三次谐波为正弦波，三次谐波的频率为调制信号的频率的三倍。然后，处理单元将三次谐波注入调制信号，生产PWM驱动信号，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制逆变器开关管的闭合或断开，使得逆变器具有较高的母线利用率和较小的输出共模电压。

在本实施例中，处理单元优选将三次谐波与调制信号叠加，以实现三次谐波注入调制信号。在其他实施例中，本领域的技术人员还可以通过其他方式将三次谐波注入调制信号。此外，处理单元优选为数字信号处理器。

区别于现有技术的情况，本实施例的PWM调制方法通过在调制信号注入三次谐波，生产PWM驱动信号，其中，根据调制比M的大小控制注入的三次谐波的幅值，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以使得逆变器具有较高的母线利用率和较小的输出共模电压。

本发明进一步提供一种PWM调制方法的第二实施例，其在前述第一实施例的基础上，调制信号的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为调制信号的幅值，V_dc为逆变器直流母线的电压值。

在步骤102中，处理单元根据调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值包括：

当调制比M<＝1时，三次谐波幅值为0；

当调制比时，三次谐波的幅值为调制信号的幅值的1/6；

当调制比时，三次谐波为最小幅值的三次谐波。

其中，当调制比时，最小幅值的三次谐波与调制比M满足以下方程式：

b＝max((1-Msin(wt))/sin(3wt))                 (1)

其中，b为最小幅值的三次谐波的幅值与调制信号的幅值之比。

在本实施例中，处理单元求解方程式(1)的方法包括：实时求解法、曲线拟合法以及查表法。以下详细说明求解方程式(1)的方法，以获取最小幅值的三次谐波的幅值。

在本实施例中，处理单元采用实时求解法获取最小幅值的三次谐波的幅值，将实际的调制比M代入方程式(1)，实时求解方程式(1)，以计算出最小幅值的三次谐波的幅值。但是，实时求解方程式(1)的需要处理的大量的数据。

处理单元将调制比M的数值直接代入方程式(1)中，以获取相应的最小幅值的三次谐波的幅值。绘制调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值关系曲线，如图2所示。其中，横坐标x表示调制比M，纵坐标y表示最小幅值的三次谐波的幅值。

在本实施例中，处理单元还可以采用曲线拟合法获取最小幅值的三次谐波的幅值，即对调制比M和最小幅值的三次谐波的幅值的关系曲线进行曲线拟合，以得到调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系近似函数b＝f(M)，如多次多项式b＝a_nMⁿ+a_n-1M^n-1+…+a1，再根据实际的调制比M代入调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系近似函数算出最小幅值的三次谐波的幅值。

在本实施例中，处理单元还可以采用查表法获取最小幅值的三次谐波的幅值，即可以预先编制调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系表。通过查表法确定最小幅值的三次谐波的幅值，即根据实际的调制比M在关系表中查得最小幅值的三次谐波的幅值。其中，当调制比M介于关系表中相邻两个离散数据点之间时，可通过线性内插的方法和临近近似法获取实调制比M相对应的最小幅值的三次谐波的幅值。

例如，相邻两个离散数据点分别为A1(x1，y1)和B1(x2，y2)，实际数据点(x，y)三者满足以下关系式(2)：

y＝y1+(y2-y1)*(x-x1)/(x2-x1)             (2)

求解关系式(2)得到最小幅值的三次谐波的幅值y。

处理单元通过临近近似法也可以确定调制比M介于关系表中相邻两个离散数据点，以获取实调制比M相对应的最小幅值的三次谐波的幅值，最常用的临近近似法例如为四舍五入法。

值得注意的是，在本实施例中，PWM调制方法为正弦波调制，在其他实施例中，本领域普通技术人员可以选取其他调制方式，例如空间向量调制。

区别于现有技术的情况，本发明实施例的PWM调制方法中，过在调制信号注入三次谐波，生产PWM驱动信号，其中，根据调制比M的大小控制注入的最小幅值的三次谐波的幅值，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以使得逆变器具有最高的母线利用率和最小的输出共模电压，避免产生较大的对地漏电流和电磁干扰。

下文将结合本发明逆变器的结构进一步详细说明本发明实施例的PWM调制方法的实施过程。

请配合参阅图3，图3是本发明第一实施例的逆变器的电路图。在本实施例中，逆变器10为三电平I型逆变器。如图1所示，本实施例的逆变器10包括：直流源V1、V2，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16、D17、D18，开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12，输出端A、B、C，以及处理单元11。

其中，D1与Q1并联，D2与Q2并联，D3与Q3并联，D4与Q4并联，D5与Q5并联，D6与Q6并联，D7与Q7并联，D8与Q8并联，D9与Q9并联，D10与Q10并联，D11与Q11并联，D12与Q12并联，Q1、Q4、Q7以及Q10串联连接，Q2、Q5、Q8以及Q11串联连接，Q3、Q6、Q9以及Q12串联连接，D13和D14与Q4和Q7并联，D15和D16与Q5和Q8并联，D17和D18与Q6和Q9并联。

直流源V1的负极与直流源V2的正极接地，直流源V1的正极分别与Q1的集电极、Q2的集电极、Q3的集电极连接，直流源V2的负极分别与Q10的发射极、Q11的发射极、Q12的发射极连接。D13的阳极、D14的阴极、D15的阳极、D16的阴极、D17的阳极以及D18的阴极均接地。

逆变器10通过在开关管的基极输入由处理单元11生成的PWM驱动信号S1，以控制逆变器开关管的闭合或断开动作。即，处理单元11将三次谐波S2注入调制信号S3，以生成PWM驱动信号S1，如图4所示。此外，处理单元11根据调制比M的大小控制三次谐波S2的幅值，以使逆变器10具有较高的母线利用率和较小的输出共模电压。其中，三次谐波S2为正弦波，三次谐波S2的频率为调制信号S3的频率的三倍。

值得注意的是，处理单元11优选为数字信号处理器。

本发明进一步提供一种逆变器的第二实施例，在本发明第一实施例的逆变器10的基础上，本实施例中，调制信号S3的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为调制信号S3的幅值，V_dc为逆变器10直流母线的电压值。

在本实施例中，处理单元11将调制比M划分为三个区域：

当调制比M<＝1时，三次谐波S2幅值为0；

当调制比时，三次谐波S2的幅值为调制信号S3的幅值的1/6；

当调制比时，三次谐波S2为最小幅值的三次谐波。

在本实施例中，逆变器10满足方程式(3)：

V_ref*sin(wt)+bV_ref*sin(3wt)<V_dc/2                     (3)

方程式(2)可转变成：

$b<\frac{1-M*\sin \left(\mathrm{wt}\right)}{M*\sin \left(3\mathrm{wt}\right)}---\left(4\right)$

根据式(4)可得，b满足方程式(1)：

b＝max((1-Msin(wt))/sin(3wt))

其中，b为最小幅值的三次谐波的幅值与调制信号S3的幅值之比。

在本实施例中，处理单元11求解方程式(1)的方法包括：实时求解法、曲线拟合法以及查表法。以下详细说明求解方程式(1)的方法，以获取最小幅值的三次谐波的幅值。

在本实施例中，处理单元11采用实时求解法获取最小幅值的三次谐波的幅值，将实际的调制比M代入方程式(1)，实时求解方程式(1)，以计算出最小幅值的三次谐波的幅值。但是，处理单元11实时求解方程式(1)需要处理的大量的数据。

在本实施例中，处理单元11还可以采用曲线拟合法获取最小幅值的三次谐波的幅值，即对调制比M和最小幅值的三次谐波的幅值的关系曲线进行曲线拟合，以得到调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系近似函数b＝f(M)，如多次多项式b＝a_nMⁿ+a_n-1M^n-1+…+a1，再根据实际的调制比M代入调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系近似函数算出三次谐波S3的注入量。其中，调制比M和最小幅值的三次谐波的幅值的关系曲线如图2所示。

在本实施例中，处理单元11还可以采用查表法获取最小幅值的三次谐波的幅值，即可以预先编制调制比M与最小幅值的三次谐波的幅值的关系表。通过查表法确定最小幅值的三次谐波的幅值，即根据实际的调制比M在关系表中查得最小幅值的三次谐波的幅值。其中，当调制比M介于关系表中相邻两个离散数据点之间时，可通过线性内插的方法和临近近似法获取实调制比M相对应的最小幅值的三次谐波的幅值。

例如，相邻两个离散数据点分别为A1(x1，y1)和B1(x2，y2)，实际数据点(x，y)三者满足以下关系式(2)：

y＝y1+(y2-y1)*(x-x1)/(x2-x1)              (2)

求解关系式(2)得到最小幅值的三次谐波的幅值y。

处理单元11通过临近近似法也可以确定调制比M介于关系表中相邻两个离散数据点，以获取实调制比M相对应的最小幅值的三次谐波的幅值，最常用的临近近似法例如为四舍五入法。

值得注意的是，在本实施例中，逆变器10通过正弦波调制方式调制，在其他实施例中，本领域普通技术人员可以选取其他调制方式，例如空间向量调制方式。

此外，本发明实施例的逆变器10除了图3所示的拓扑方式，还有其他的实施方式。例如：

图5所示的单相I型三电平逆变器或是单相T型三电平逆变器(图未示)；

图6所示的三相I型三电平逆变器；

图7所示的三相T型三电平逆变器；

图8所示的三相两电平逆变器；以及，

图9所示的三相多电平逆变器。

应理解，图5-图9所示的逆变器与图2所示的逆变器10具有相同的PWM调制方法，请参阅前文所述，在此不再赘述。

区别于现有技术的情况，本发明中通过在调制信号注入三次谐波，生产PWM驱动信号，其中，根据调制比M的大小控制注入的三次谐波的幅值，并将PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以使得逆变器具有最高的母线利用率和最小的输出共模电压，避免产生较大的对地漏电流和电磁干扰。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (21)

1.一种PWM调制方法，其特征在于，所述调制方法包括：

提供一调制信号；

根据所述调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值；

将所述三次谐波注入所述调制信号，生成PWM驱动信号；

将所述PWM驱动信号输入逆变器开关管的控制端，以控制所述逆变器开关管的闭合或断开；

其中，所述调制信号的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为所述调制信号的幅值，V_dc为所述逆变器直流母线的电压值；

所述根据所述调制信号的调制比M的大小获取三次谐波的幅值包括：

当所述调制比M<＝1时，所述三次谐波幅值为0；

当所述调制比时，所述三次谐波幅值为所述调制信号的幅值的1/6；

当所述调制比时，所述三次谐波为最小幅值的三次谐波。

2.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，当所述调制比时，所述最小幅值的三次谐波与所述调制比M满足以下方程式：

b＝max((1-Msin(wt))/sin(3wt))；

其中，b为所述最小幅值的三次谐波的幅值与所述调制信号的幅值之比。

3.根据权利要求2所述的调制方法，其特征在于，通过实时求解所述方程式，以计算出所述最小幅值的三次谐波的幅值。

4.根据权利要求2所述的调制方法，其特征在于，通过对预设的所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的曲线进行曲线拟合，得到所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的近似函数，再将实际的调制比M代入所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的近似函数，以计算出所述最小幅值的三次谐波的幅值。

5.根据权利要求2所述的调制方法，其特征在于，根据所述方程式编制所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的关系表，根据实际的调制比M通过查表法获取所述最小幅值的三次谐波的幅值。

6.根据权利要求5所述的调制方法，其特征在于，采用线性内插的方法确认所述调制比M介于所述关系表中相邻两个离散数据点的所述最小幅值的三次谐波的幅值。

7.根据权利要求5所述的调制方法，其特征在于，采用临近近似法确定所述调制比M介于所述关系表中相邻两个离散数据点的所述最小幅值的三次谐波的幅值。

8.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述PWM调制方法为正弦波调制。

9.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述PWM调制方法为空间向量调制。

10.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括一处理单元，所述处理单元用于产生调制信号和三次谐波，其中，所述处理单元根据所述调制信号的调制比M的大小获取所述三次谐波的幅值，所述处理单元将所述三次谐波注入所述调制信号，生成PWM驱动信号，并将所述PWM驱动信号输入所述逆变器开关管的控制端，以控制所述逆变器开关管的闭合或断开；其中，所述调制信号的调制比M为：

$M=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{0.5V_{\mathrm{dc}}};$

其中，V_ref为所述调制信号的幅值，V_dc为所述逆变器直流母线的电压值；其中：

当所述调制比M<＝1时，所述三次谐波幅值为0；

当所述调制比时，所述三次谐波幅值为所述调制信号的幅值的1/6；

当所述调制比时，所述三次谐波为最小幅值的三次谐波。

11.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，当所述调制比时，所述最小幅值的三次谐波与所述调制比M满足以下方程式：

b＝max((1-Msin(wt))/sin(3wt))；

其中，b为所述最小幅值的三次谐波的幅值与所述调制信号的幅值之比。

12.根据权利要求11所述的逆变器，其特征在于，所述处理单元通过实时求解所述方程式，以计算出所述最小幅值的三次谐波的幅值。

13.根据权利要求11所述的逆变器，其特征在于，所述处理单元通过对预设的所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的曲线进行曲线拟合，得到所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的近似函数，再将实际的调制比M代入所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的近似函数，以计算出所述最小幅值的三次谐波的幅值。

14.根据权利要求11所述的逆变器，其特征在于，所述处理单元根据所述方程式编制所述调制比M与所述最小幅值的三次谐波的幅值的关系表，根据实际的调制比M通过查表法获取所述最小幅值的三次谐波的幅值。

15.根据权利要求14所述的逆变器，其特征在于，所述处理单元采用线性内插的方法确认所述调制比M介于所述关系表中相邻两个离散数据点的所述最小幅值的三次谐波的幅值。

16.根据权利要求14所述的逆变器，其特征在于，所述处理单元采用临近近似法确定所述调制比M介于所述关系表中相邻两个离散数据点的所述最小幅值的三次谐波的幅值。

17.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器通过正弦波调制方式调制。

18.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器通过空间向量调制方式调制。

19.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器为单相逆变器，其拓扑结构为I型三电平逆变器或T型三电平逆变器。

20.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器为三相逆变器，其拓扑结构为I型三电平逆变器或T型三电平逆变器。

21.根据权利要求10所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器为三相两电平逆变器或三相多电平逆变器。