CN106208791A - 一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，包括分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；采用预设语言建立各种控制模式以及输入条件与输出总电流以及各相之间的线电压的对应关系；将对应关系导入FPGA内作为九开关管三桥臂变流器的模型。本发明计算过程简单，能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用。本发明还提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，对应于上述方法，也具有上述优点，在此不再赘述。

Description

一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置

技术领域

本发明涉及模型搭建技术领域，特别是涉及一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置。

背景技术

在交流传动技术中，变流器一直作为交流传动的核心部件，更是目前交流传动研究的重点之一。九开关管三桥臂变流器是一种单相桥式三电平整流器参见图1所示，图1为九开关管三桥臂变流器的物理结构示意图；九开关管三桥臂变流器由9个IGBT组成，分为3相桥臂(U相、V相、W相)，每相桥臂上包括一个上IGBT(UH/VH/WH)、中IGBT(UM/VM/WM)以及下IGBT(UL/VL/WL)，i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2分别为六路交流输入电流，连接两个负载，i_d为输出总电流，V_d为中间电压。

目前的建模技术中，九开关管三桥臂变流器有以下两种方法模拟：

一是利用MATLAB仿真的SimPowerSystem模块库中自带的IGBT模块搭建九开关管三桥臂变流器。

二是采用状态空间法建模，分析不同控制模式下九开关管三桥臂变流器的状态空间方程，建立系统级仿真数学模型，不考虑开关管和二极管的换流过程，把IGBT看成理想开关，把网侧电路、IGBT和中间电路作为一个电路系统来建立数学模型，建立输入变量为网侧电压、负载电流和控制信号脉冲，输出变量分别为中间电压和网侧电流的状态空间方程模型。

由于九开关管三桥臂变流器的运行要求速率很高，而FPGA为一种高速处理芯片，优选将九开关管三桥臂变流器的模型运用与FPGA中，但是以上两种方法得到的模型均无法实现在FPGA芯片中的快速运用，且计算过程复杂。

因此，如何提供一种能够实现在FPGA芯片中运用且计算简单的九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置，计算过程简单，能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，包括：

分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

采用预设语言建立各种所述控制模式以及所述输入条件与所述输出总电流以及所述各相之间的线电压的对应关系；

将所述对应关系导入FPGA内作为所述九开关管三桥臂变流器的模型。

优选地，所述分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压的过程具体为：

确定所述九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流；

在所述无脉冲信号的控制模式下将所述IGBT等效为二极管，得到所述九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

分析各种输入条件下所述等效电路模型中各个所述二极管的导通状态；

依次分析各个所述二极管的各种导通状态，得到所述无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流。

优选地，所述依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下的所述输出总电流的过程具体为：

分别分析各相桥臂在自身三个IGBT的各种导通状态下的桥臂电流；

将三相桥臂电流求和，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下的所述输出总电流。

优选地，所述九开关管三桥臂变流器的所述控制模式类型包括四种控制模式，其中：

第一控制模式中所述九开关管三桥臂变流器中三相桥臂上的三个上IGBT的触发电平均为高电平；所述三相桥臂上的三个中IGBT的触发电平均为低电平且所述三相桥臂上的三个下IGBT的触发电平均为高电平，或三个所述中IGBT的触发电平均为高电平且三个所述下IGBT的触发电平均为低电平；

第二控制模式中三个所述下IGBT的触发电平均为高电平；三个所述上IGBT的触发电平均为低电平且三个所述中IGBT的触发电平均为高电平，或三个所述上IGBT的触发电平均为高电平且三个所述中IGBT的触发电平均为低电平；

第三控制模式中三个所述上IGBT、三个所述中IGBT和三个所述下IGBT的触发电平均为高电平；

第四控制模式为所述无脉冲信号的控制模式。

优选地，所述预设语言为FPGA硬件语言、C语言、SimPowerSystem语言中的任一种。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，包括：

结果分析模块，用于分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

对应匹配模块，用于采用预设语言建立各种所述控制模式以及所述输入条件与所述输出总电流以及所述各相之间的线电压的对应关系；

导入模块，用于将所述对应关系导入FPGA内作为所述九开关管三桥臂变流器的模型。

优选地，所述结果分析模块具体包括：

IGBT导通状态确定单元，用于确定所述九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

第一结果分析单元，用于依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流；

等效单元，用于在所述无脉冲信号的控制模式下将所述IGBT等效为二极管，得到所述九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

二极管导通状态确定单元，用于分析各种输入条件下所述等效电路模型中各个所述二极管的导通状态；

第二结果分析单元，用于依次分析各个所述二极管的各种导通状态，得到所述无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流。

本发明提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，通过分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，来得到再各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器对应的输出总电流以及各相间的线电压，进而通过建立两者之间的对应关系，即可得到能够应用于FPGA的九开关管三桥臂变流器模型。本发明的方法计算过程简单，且建立的模型能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用，应用范围广泛。本发明还提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，也具有上述优点，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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。

图1为九开关管三桥臂变流器的物理结构示意图；

图2为本发明提供的一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法的过程的流程图；

图3为本发明得到输出总电流以及各相之间的线电压的过程的流程图；

图4为九开关管三桥臂变流器在无脉冲信号的控制模式下的等效电路图；

图5为本发明提供的一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法及其装置，计算过程简单，能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，参见图2所示，图2为本发明提供的一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法的过程的流程图；该方法包括：

步骤s101：分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

步骤s102：采用预设语言建立各种控制模式以及输入条件与输出总电流以及各相之间的线电压的对应关系；

步骤s103：将对应关系导入FPGA内作为九开关管三桥臂变流器的模型。

其中，这里的预设语言为FPGA硬件语言、C语言、SimPowerSystem语言中的任一种。当然，也可采用其他类型的软件语言实现，本发明对此不作限定。

参见图3所示，图3为本发明得到输出总电流以及各相之间的线电压的过程的流程图。

作为优选地，分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压的过程具体为：

步骤s201：确定九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

步骤s202：依次分析各个IGBT的各种导通状态，得到除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及输出总电流；

步骤s203：在无脉冲信号的控制模式下将IGBT等效为二极管，得到九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

步骤s204：分析各种输入条件下等效电路模型中各个二极管的导通状态；

步骤s205：依次分析各个二极管的各种导通状态，得到无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及输出总电流。

具体的，依次分析各个IGBT的各种导通状态，得到除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的输出总电流的过程具体为：

步骤s301：分别分析各相桥臂在自身三个IGBT的各种导通状态下的桥臂电流；

步骤s302：将三相桥臂电流求和，得到除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的输出总电流。

其中，九开关管三桥臂变流器的控制模式类型包括四种控制模式，其中：

第一控制模式中九开关管三桥臂变流器中三相桥臂上的三个上IGBT的触发电平均为高电平；三相桥臂上的三个中IGBT的触发电平均为低电平且三相桥臂上的三个下IGBT的触发电平均为高电平，或三个中IGBT的触发电平均为高电平且三个下IGBT的触发电平均为低电平；

第二控制模式中三个下IGBT的触发电平均为高电平；三个上IGBT的触发电平均为低电平且三个中IGBT的触发电平均为高电平，或三个上IGBT的触发电平均为高电平且三个中IGBT的触发电平均为低电平；

第三控制模式中三个上IGBT、三个中IGBT和三个下IGBT的触发电平均为高电平；

第四控制模式为无脉冲信号的控制模式。

为方便对本发明方案的理解，下面就本发明提供的九开关管三桥臂变流器模型搭建方法的具体工作过程做简单介绍：

参见图1所示，九开关管三桥臂变流器在第一控制模式下，UH、VH、WH的触发脉冲为高电平，UM\UL、VM\VL、WM\WL触发脉冲为互补脉冲(互补脉冲即指UM、VM、WM与UL、VL、WL的触发脉冲的电平高低互补)；在第二控制模式下UL、VL、WL的触发脉冲为高电平，UM\UH、VM\VH、WM\WH的触发脉冲为互补脉冲；第三控制模式下UH、VH、WH、UM、UL、VM、VL、WM、WL的触发脉冲为高电平，此时九开关管三桥臂变流器短接脉冲信号；第四控制模式为无脉冲信号的控制模式；

由于在高电平的触发脉冲下IGBT为导通状态，用1表示，在低电平的触发脉冲下IGBT为截止状态，用0表示，故根据上述触发脉冲的情况可知，每单个桥臂的脉冲波形有如下101、011、110、111、000五种脉冲。这里的三位数字分别表示单个桥臂中的上IGBT/中IGBT/下IGBT的导通状态。

九开关管三桥臂变流器正常工作情况，变流器输入已知量为中间电压Vd、三相交流输入电流ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2。

根据以上四种控制模式，获得U相桥臂与V相桥臂之间的线电压，表1为各IGBT的不同导通状态下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压。V相桥臂与W相桥臂之间的线电压可采用相同分析过程得到。

表1各IGBT的不同导通状态下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压

输出总电流的计算则先按照单个桥臂进行分析，得到除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下单个桥臂的输出总电流，九开关管三桥臂变流器的输出总电流为三个桥臂的输出总电流之和。表2为各IGBT的不同导通状态下U相桥臂输出总电流。其中，idu为U相桥臂的输出总电流。V相与W相桥臂的输出总电流与U相采用相同计算方法。

控制信号	U相电流
		U相101	Idu＝ia1
U相110	Idu＝ia1+ia2
		U相011；	Idu＝0；
U相000	Idu＝0；
		U相111；	Id通过直流侧模型进行计算得到

表2各IGBT的不同导通状态下U相桥臂输出总电流

根据表2单桥臂电流idu、idv、idw三个桥臂电流，除短路脉冲111情况外，输出总电流Id则为idu、idv、idw三者之和。

当无脉冲信号时，九开关管三桥臂变流器仅续流二极管进行工作，故可忽略开关管进行等效。参见图4所示，图4为九开关管三桥臂变流器在无脉冲信号的控制模式下的等效电路图；

通过分析不同交流输入电流ia1、ia2的变化来区分U相桥臂的二极管的导通状态，导通用1表示，关断用0表示。V相与W相的导通状态与U相相同。表3为无脉冲信号的控制模式下不同输入条件对应的U相桥臂导通状态。

电流ia1	电流ia2	二极管导通状态
			ia1<0；	ia2>0	101
ia1<0；	ia2<0	110
			ia1>0；	ia2>0	011
ia1>0；	ia2<0；且ia1+ia2>0	011
			ia1>0；	ia2<0；且ia1+ia2<0	110

表3无脉冲信号的控制模式下不同输入条件对应的U相桥臂导通状态

在无脉冲信号的控制模式下，单相桥臂的输出总电流与表2分析的结果相同，进而可以得到单相桥臂电流idu、idv、idw，除短路脉冲111情况外，Id则为idu、idv、idw三者之和。故可以得到无脉冲信号的控制模式下的输出总电流。

进一步可知，从表3可以看出，在无脉冲信号的情况下，单相桥臂的二极管导通状态可能为101、110、011三种模式。参见表4，表4为各二极管的不同导通状态下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压。V相桥臂与W相桥臂之间的线电压可采用相同分析过程得到。

U桥臂状态	V桥臂状态	U、V两相线电压
			101	101	Uab1＝0；Uab2＝0
101	110	Uab1＝0；Uab2＝-Vd
			101	011	Uab1＝Vd；Uab2＝0
110	110	Uab1＝0；Uab2＝0
			110	011	Uab1＝Vd；Uab2＝Vd
011	011	Uab1＝0；Uab2＝0

表4各二极管的不同导通状态下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压

本发明提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，通过分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，来得到再各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器对应的输出总电流以及各相间的线电压，进而通过建立两者之间的对应关系，即可得到能够应用于FPGA的九开关管三桥臂变流器模型。本发明的方法计算过程简单，且建立的模型能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用，应用范围广泛。

本发明还提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，参见图5所示，图5为本发明提供的一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置的结构示意图。该装置包括：

结果分析模块11，用于分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

对应匹配模块12，用于采用预设语言建立各种控制模式以及输入条件与输出总电流以及各相之间的线电压的对应关系；

导入模块13，用于将对应关系导入FPGA内作为九开关管三桥臂变流器的模型。

其中，结果分析模块11具体包括：

IGBT导通状态确定单元，用于确定九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

第一结果分析单元，用于依次分析各个IGBT的各种导通状态，得到除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及输出总电流；

等效单元，用于在无脉冲信号的控制模式下将IGBT等效为二极管，得到九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

二极管导通状态确定单元，用于分析各种输入条件下等效电路模型中各个二极管的导通状态；

第二结果分析单元，用于依次分析各个二极管的各种导通状态，得到无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及输出总电流。

本发明提供了一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，通过分析九开关管三桥臂变流器的物理模型，来得到再各种控制模式以及输入条件下九开关管三桥臂变流器对应的输出总电流以及各相间的线电压，进而通过建立两者之间的对应关系，即可得到能够应用于FPGA的九开关管三桥臂变流器模型。本发明的方法计算过程简单，且建立的模型能够导入FPGA进行运行，从而实现在高开关频率下的运用，应用范围广泛。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种九开关管三桥臂变流器模型搭建方法，其特征在于，包括：

分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

采用预设语言建立各种所述控制模式以及所述输入条件与所述输出总电流以及所述各相之间的线电压的对应关系；

将所述对应关系导入FPGA内作为所述九开关管三桥臂变流器的模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压的过程具体为：

确定所述九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流；

在所述无脉冲信号的控制模式下将所述IGBT等效为二极管，得到所述九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

分析各种输入条件下所述等效电路模型中各个所述二极管的导通状态；

依次分析各个所述二极管的各种导通状态，得到所述无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下的所述输出总电流的过程具体为：

分别分析各相桥臂在自身三个IGBT的各种导通状态下的桥臂电流；

将三相桥臂电流求和，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下的所述输出总电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述九开关管三桥臂变流器的所述控制模式类型包括四种控制模式，其中：

第一控制模式中所述九开关管三桥臂变流器中三相桥臂上的三个上IGBT的触发电平均为高电平；所述三相桥臂上的三个中IGBT的触发电平均为低电平且所述三相桥臂上的三个下IGBT的触发电平均为高电平，或三个所述中IGBT的触发电平均为高电平且三个所述下IGBT的触发电平均为低电平；

第二控制模式中三个所述下IGBT的触发电平均为高电平；三个所述上IGBT的触发电平均为低电平且三个所述中IGBT的触发电平均为高电平，或三个所述上IGBT的触发电平均为高电平且三个所述中IGBT的触发电平均为低电平；

第三控制模式中三个所述上IGBT、三个所述中IGBT和三个所述下IGBT的触发电平均为高电平；

第四控制模式为所述无脉冲信号的控制模式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设语言为FPGA硬件语言、C语言、SimPowerSystem语言中的任一种。

6.一种九开关管三桥臂变流器模型搭建装置，其特征在于，包括：

结果分析模块，用于分析所述九开关管三桥臂变流器的物理模型，得到各种控制模式以及输入条件下所述九开关管三桥臂变流器的输出总电流以及各相之间的线电压；

对应匹配模块，用于采用预设语言建立各种所述控制模式以及所述输入条件与所述输出总电流以及所述各相之间的线电压的对应关系；

导入模块，用于将所述对应关系导入FPGA内作为所述九开关管三桥臂变流器的模型。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述结果分析模块具体包括：

IGBT导通状态确定单元，用于确定所述九开关管三桥臂变流器的各种控制模式，得到各个IGBT在除无脉冲信号的控制模式以外的各种控制模式下的导通状态；

第一结果分析单元，用于依次分析各个所述IGBT的各种所述导通状态，得到除所述无脉冲信号的控制模式以外的各种所述控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流；

等效单元，用于在所述无脉冲信号的控制模式下将所述IGBT等效为二极管，得到所述九开关管三桥臂变流器的等效电路模型；

二极管导通状态确定单元，用于分析各种输入条件下所述等效电路模型中各个所述二极管的导通状态；

第二结果分析单元，用于依次分析各个所述二极管的各种导通状态，得到所述无脉冲信号的控制模式下U相桥臂与V相桥臂之间的线电压、V相桥臂与W相桥臂之间的线电压以及所述输出总电流。