CN108377104B - 一种应用于混合型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种应用于混合型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法。方法侧重点在于基于硅基绝缘栅双极型晶体管和碳化硅基金属氧化物半导体场效应管的混合型有源中点箝位式变换器，利用的两个不同的零输出开关状态，U状态和L状态，在一个小扇区内部，保证只有U状态和N状态互相切换，或者L状态和P状态互相切换，从而在保证空间矢量控制效果不变的基础上让碳化硅金属氧化物半导体场效应管承担高频的开关动作，硅基绝缘栅双极型晶体管低频开关,进而在实现整个系统高频化的同时，减小整体开关损耗，极具工程推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种应用于混合型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法。
背景技术
多电平变换器由于具有控制方法灵活、谐波含量低、效率高等优势广泛的应用于高电压大功率电能变换场合。尤其是有源中点箝位式三电平变换器，更因其中点电压可控平衡，冗余度丰富等优点而得到广泛应用。传统的有源中点箝位式变换器，在调制的过程中通常充分地使用冗余矢量，使得开关损耗的分布更加均衡从而降低器件的最高温升。伴随着电力电子变换器向着高功率密度、高频、高效率的方向不断发展，碳化硅等宽禁带半导体开关器件在大功率多电平场合应用的研究初见端倪。文献"An Extreme High EfficientThree-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter Comprising SiC&Si HybridPower Stage"(IEEE Transactions on Power Electronics,PP(99):1-1)和专利混合转换器系统(CN106936327A)提出了一种硅器件与碳化硅器件混合的有源中点箝位式三电平变换器。其具有更加优异的变换效率和较低成本。然而，以上文献仅对单相有源中点箝位式三电平变换器的调制方法进行了研究，未有针对三相有源中点箝位式三电平变换器给出最优选的调制方法，减小开关损耗。
本专利提出一种面向新型有源中点箝位式三电平变换器的空间矢量控制方法，该调制策略通过引入更多冗余矢量，设定开关状态切换原则，给定最优选的七段式矢量作用序列，使得碳化硅基功率器件承担高频开关动作，硅基功率器件低频开关，使得新型有源中点箝位式三电平变换器的开关损耗最小。
发明内容
本发明设计创造性地提出了应用于新型三相有源中点箝位式三电平逆变器的空间矢量控制方法。方法侧重点在于基于硅基绝缘栅双极型晶体管和碳化硅基金属氧化物半导体场效应管的混合型有源中点箝位式变换器，利用的两个不同的零输出开关状态，U状态和L状态，在小扇区内部，保证只有U状态和N状态互相切换，L状态和P状态互相切换，从而在保证空间矢量控制效果不变的基础上让碳化硅金属氧化物半导体场效应管承担高频的开关动作，硅基绝缘栅双极型晶体管低频开关,进而在实现整个系统高频化的同时，减小整体开关损耗，极具工程推广前景。
本发明的技术方案如下：
一种应用于三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法，其特征在于，所述的控制方法如所示包括如下步骤：
(1)以120°为间隔将空间分成六个大扇区，每一个大扇区分成四个小三角区域，如所示，并根据参考矢量的角度以及长度确定当前所处的大扇区和小扇区。
(2)依据所在的小扇区根据图5按照“最近三矢量”原则选择使用的矢量V0-V18，每个矢量包含三个单相桥臂的开关状态如表1所示，每个单项桥臂包含“N”、“P”、两种非零开关状态和“L”、“U”两种零开关状态，开关状态切换的原则是，在每个小扇区内，只允许N状态与U状态互相切换、或者P状态与L状态互相切换。基于以上原则，获得最优选的七段式序列如表二所示，矢量作用顺序按照七段式序列进行分配。
(3)对于不在第一大扇区的矢量进行角度变换，变换后再确定所处的小扇区和相应的三个矢量，并按照如式(1)的伏秒平衡公式确定每个矢量的作用时间并按照七段式分配。
(4)将相应的控制信号加入死区时间转化成相应18路PWM信号；
表1
表二
附图说明
图1为应用于新型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法流程图。
图2为新型三相三电平有源中点箝位式变换器拓扑示意图。
图3为新型三相三电平有源中点箝位式变换器一相桥臂拓扑示意图。
图4为控制方法中小扇区确定方法示意图。
图5为18个矢量对应扇区的分布示意图。
图6为6个大扇区以及每个大扇区内4个小扇区的分布示意图。
图7为构造半波对称消除偶次谐波时相应的大扇区和小扇区分布示意图。
图8为一个实施例中的一相桥臂六个开关管的门极信号波形图。
图9为一个实施例中的相电压波形图。
图10为一个实施例中的线电压波形图。
图11为一个实施例中的三相线电流波形图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
随着电力电子变换器向着高频化、高效率、高功率密度发展，传统的硅功率器件在高频下切换时热损耗增加明显，而碳化硅基功率器件则在高频下有着更加优异的表现，但是考虑到成本，我们使用碳化硅基金属氧化物半导体场效应管替换部分硅基绝缘栅双极型晶体管。并且充分利用有源中点箝位式的丰富的冗余矢量，在保证中点电压平衡的基础上，对开关损耗进行了合理地分配，降低损耗的同时也防止了热的堆积，提高了系统的可靠性。
实施例如下：
一种应用于新型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法，其特征在于，所述的控制方法如图1方法包括如下步骤：
(1)将矢量空间划分为扇区，并依据参考矢量的角度和模长确定大扇区和小扇区。
(2)依据所在的小扇区根据“最近三矢量”原则选择使用的矢量V0-V18，每个矢量对应三个单相桥臂的开关状态如表1所示，每个单项桥臂包含“N”、“P”两种非零开关状态和“L”、“U”两种零开关状态，开关状态切换的原则是，在每个小扇区内部，只允许N状态与U状态互相切换，P状态与L状态互相切换。基于以上原则，获得最优选的七段式序列如表二所示，矢量作用顺序按照七段式序列进行分配。
(3)对于不在第一大扇区的矢量进行角度变换，变换后再确定所处的小扇区和相应的三个矢量，并按照如式(1)的伏秒平衡公式确定每个矢量的作用时间并按照七段式分配。
(4)将控制信号加入死区时间转化成相应18路PWM信号；
表1
表2
所述的新型三相三电平有源中点箝位式变换器，如图2所示，其特征在于所述的三相三电平有源中点箝位式变换器，包含直流侧、电容、三个单相桥臂和交流侧；所述的电容直接耦合到直流侧并引出中性点；所述的三个单相桥臂每相桥臂包含上下两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx1、Sx4)和中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管(Sx2、Sx3)，上下两个硅基绝缘栅双极型晶体管和中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管串联直接耦合到电容两端，三个单相桥臂每相桥臂还包含两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx5、Sx6)，两个硅基绝缘栅双极型晶体管串联后耦合到两个碳化硅基功率装置两端，并引出中点与电容中性点连接，三个单相桥臂的输出连接到交流侧。
所述的“N”、“P”、“L”、“U”四种开关状态，如图3所示，其定义如下：
状态N：第三开关管(Sx3)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)开通，第一开关管(Sx6)，第二开关管(Sx2)和第六开关管(Sx6)关断。
状态L：第一开关管(Sx6)，第三开关管(Sx3)，和第六开关管(Sx6)开通，第二开关管(Sx2)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)关断。
状态U：第二开关管(Sx2)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)开通，第一开关管(Sx6)，第三开关管(Sx3)和第六开关管(Sx6)关断。
状态P：第一开关管(Sx6)，第二开关管(Sx2)和第六开关管(Sx6)开通，第三开关管(Sx3)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)关断。
所述零状态确定方法，补充地还可以根据每个小扇区内该相桥臂的非零状态既N状态或P状态对应地获得相应的零状态L状态或U状态。
所述的大扇区确定规则如下：
根据参考矢量Vref的相角θ如式(2)确定所处的大扇区
所述的小扇区确定规则如下：
如图4所示
根据调制比ma和输入电源直流电压VDC如式(3)确定参考矢量Vref的模长；
参考向量Vref在α轴上的投影为Vrefα，在β轴上的投影为Vrefβ根据式(4)规则确定小扇区；
确定小扇区后通过查表获得相应的作用矢量，计算矢量的作用时间
所述的小扇区划分，优选地可以向每个大扇区的1号、2号小扇区进一步等分位1a、1b、2a、2b四个小扇区，如图7所示，每个小扇区按照表二给出的矢量七段式分配矢量，构造半波对称，消除偶次谐波。
所述的参考矢量Vref，补充地还可以通过对三相电压Ua、Ub和Uc按照式(5)进行三二变换获得Uvefα和Uvefβ
在一个具体的实施例中，用“L”状态和“U”状态替换原有的“O”状态，获得包含V0-V18的矢量表如表1所示，并根据一个小扇区内只允许“N”状态与“U”状态互相切换，“P”状态与“L”状态互相切换的原则，在原有三相三电平空间矢量调制技术矢量分布表的基础上，修改获得本方案的矢量分布表如表2所示；
在一个具体的实施例中，以图4为例，假设当参考矢量位于第一扇区，第3小扇区时，此时根据表2中扇区I，3扇区部分可得，优选的矢量七段式序列为:
[PUU]→[PUN]→[PNN]→[LNN]→[PNN]→[PUN]→[PUU]
并根据伏秒平衡原理计算矢量七段式的时间分配。
同时在一个具体的实施例中，给定600V直流母线电压，基波频率为50Hz，开关频率为900Hz，调制比ma为0.9，我们给出如图8所示的新型三相三电平有源中点箝位式变换器的一相桥臂六个开关管的门极信号波形图。其中硅基IGBT：Sx1、Sx4、Sx5、Sx6门极信号按照基波频率低频切换，而碳化硅基MOSFET：Sx2、Sx3门极信号按照开关频率高频动作。
同时此时的输出电压相电压波形如图9所示，线电压波形如图10所示，由于采用了上述的优选构造半波对称的扇区划分方案，由波形图可知输出电压波形满足半波对称，与方案设计相一致。
在实施例中，变换器交流侧接阻感负载后的输出线电流波形如图11所示，三相线电流均以50Hz基频正弦变化。
由实施例可以得出新型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法充分地利用了冗余开关状态，在一个小扇区内部，保证只有U状态和N状态互相切换，或者L状态和P状态互相切换，从而在保证空间矢量控制效果不变的基础上让碳化硅金属氧化物半导体场效应管承担高频的开关动作，硅基绝缘栅双极型晶体管仅有低频开关动作,进而在实现整个系统高频化的同时，减小整体开关损耗。
本发明方案采用递进的方式给出具体的实施例。
上述实施例并未对发明做任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护范围内。
Claims (3)
1.一种应用于混合型三相三电平有源中点箝位式变换器的空间矢量控制方法，所述的三相三电平有源中点箝位式变换器，包含直流侧、电容、三个单相桥臂和交流侧；所述的电容直接耦合到直流侧并引出中性点；所述的三个单相桥臂每相桥臂包含上下两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx1、Sx4)和中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管(Sx2、Sx3)，上下两个硅基绝缘栅双极型晶体管和中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管串联直接耦合到电容两端，三个单相桥臂每相桥臂还包含另外两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx5、Sx6)，所述另外两个硅基绝缘栅双极型晶体管串联后耦合到所述中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管的串联支路的两端，并引出中点与电容中性点连接，三个单相桥臂的输出连接到交流侧；所述上下两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx1、Sx4)从上到下依次作为第一开关管(Sx1)和第四开关管(Sx4)，所述中间两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应管(Sx2、Sx3)从上到下依次作为第二开关管(Sx2)和第三开关管(Sx3)；所述另外两个硅基绝缘栅双极型晶体管(Sx5、Sx6)从上到下依次作为第五开关管(Sx5)和第六开关管(Sx6)；
其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)将矢量空间划分为扇区，并依据参考矢量的角度和模长确定大扇区和小扇区；
(2)依据所在的小扇区根据“最近三矢量”原则选择使用的矢量V0-V18，每个矢量对应三个单相桥臂的开关状态如表1所示，表1中，VD为输入电源直流电压；每个单项桥臂包含“N”、“P”两种非零开关状态和“L”、“U”两种零开关状态，开关状态切换的方法是，在每个小扇区内部，只允许N状态与U状态互相切换，P状态与L状态互相切换；基于以上方法，获得七段式序列如表2所示，矢量作用顺序按照七段式序列进行分配；
所述的“N”、“P”、“L”、“U”四种开关状态，其定义如下：
状态N：第三开关管(Sx3)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)开通，第一开关管(Sx1)，第二开关管(Sx2)和第六开关管(Sx6)关断；
状态L：第一开关管(Sx1)，第三开关管(Sx3)，和第六开关管(Sx6)开通，第二开关管(Sx2)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)关断；
状态U：第二开关管(Sx2)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)开通，第一开关管(Sx1)，第三开关管(Sx3)和第六开关管(Sx6)关断；
状态P：第一开关管(Sx1)，第二开关管(Sx2)和第六开关管(Sx6)开通，第三开关管(Sx3)，第四开关管(Sx4)和第五开关管(Sx5)关断；
(3)对于不在第一大扇区的矢量进行角度变换，变换后再确定所处的小扇区和相应的三个矢量，并按照如式(1)的伏秒平衡公式确定每个矢量的作用时间并按照七段式分配；
(4)将控制信号加入死区时间转化成相应18路PWM信号；
表1
表2
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的大扇区确定方法如下：
根据参考矢量Vref的相角θ如式(2)确定所处的大扇区
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的小扇区确定方法如下：
a)根据调制比ma和输入电源直流电压VD如式(3)确定参考矢量Vref的模长；
b)参考向量Vref在α轴上的投影为Vrefα，在β轴上的投影为Vrefβ，根据式(4)确定小扇区；
c)确定小扇区后通过查表2获得相应的作用矢量，并计算矢量的作用时间。
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| Title |
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| Performance analysis of SiC MOSFET based 3-level ANPC grid-connected inverter with novel modulation scheme;Emre Gurpinar et al;《2014 IEEE 15th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL)》;20140814;第1-7页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108377104A (zh) | 2018-08-07 |
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