CN110176869B - 一种混合箝位型三电平h桥逆变器的驱动信号时序方法 - Google Patents

一种混合箝位型三电平h桥逆变器的驱动信号时序方法 Download PDF

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Abstract

一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，逆变器包括两个母线电容组，两个母线电容组串联；驱动信号时序过程中所述逆变器用于输出脉宽调制波，在每个调制波周期内，逆变器在输出电压过零点附近的若干载波周期内仅有一个母线电容组接入负载进行充放电，同一母线电容组的充电时刻和放电时刻在时间轴上相对于过零点对称；输出电压下降段的过零点为第一过零点，电压上升段的过零点为第二过零点，第一母线电容组接入负载进行充放电的时刻和第二母线电容组接入负载进行充放电的时刻分别位于第一过零点处和第二过零点处或反之；第一母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间与第二母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间相等。

Description

一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法
技术领域
本发明涉及一种H桥逆变器的驱动信号时序方法，特别是涉及一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，涉及电力电子变换器技术领域。
背景技术
三电平逆变器具有开关管电压应力低、滤波器小等特点，目前在电源变换器、电机驱动器等场合得到了较为广泛的应用。按照拓扑结构不同，三电平逆变器主要分为二极管钳位型、飞跨电容钳位型以及混合钳位型三种。其中，混合钳位型三电平逆变器结合了二极管钳位型与飞跨电容钳位型的优点，能很好的解决逆变器中所有开关管的电压应力问题，且具有较高的可靠性。
图1为混合钳位型三电平H桥逆变器的拓扑结构，其中C1、C2为直流母线电容、Cx1、Cx2为飞跨电容。为了保证该逆变器的可靠运行，直流母线上的电容必须均压，即C1和C2上的电压要相等。然而，在实际应用中，由于控制电路或驱动电路总有微小差异，开关管的导通时间不可能完全相等。并且，图中各个开关管的导通压降、开关特性以及寄生参数也不可能完全一致。如此一来，C1、C2上的电压将不相等，从而导致开关管电压应力不相等，三电平波形也会不对称。严重的话，将会造成开关管击穿，设备损坏。
为使混合箝位型三电平逆变器的母线电容电压能够均衡，目前主要有两类方法。第一类方法是通过选取特定的开关矢量序列和/或改变开关管的占空比，使不同母线电容器充放电的时间不相等，具体来说就是电压低的电容器少放电、多充电，而电压高的电容器多放电、少充电。这类方法会导致控制算法非常复杂，从而增加了控制难度。第二类方法是利用飞跨电容（如图1中的Cx1、Cx2），使其参与母线电容的充放电过程，从而实现母线电容的均压，这类方法对飞跨电容的容量会有较高的要求，会使设备的可靠性降低。上述用于混合钳位型三电平逆变器的母线电容均压方法都过于复杂，实用性并不强。
发明内容
本发明提供一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，该方法使这类逆变器在连接变压器或者电机负载时，可以利用变压器或者电机的绕组实现母线电容的均压。
本发明提供一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，所述驱动信号时序方法应用于逆变器上，所述逆变器包括两个母线电容组，每个电容组为单个电容或者由若干个电容经串联或并联组成，所述两个母线电容组串联；
所述驱动信号时序过程中所述逆变器用于输出脉宽调制波，在所述每个调制波周期内，所述逆变器在输出电压过零点附近的若干载波周期内仅有一个母线电容组接入负载进行充放电，所述同一母线电容组的充电时刻和放电时刻在时间轴上相对于过零点对称；
所述输出电压下降段的过零点为第一过零点，所述电压上升段的过零点为第二过零点，所述第一母线电容组接入负载进行充放电的时刻和所述第二母线电容组接入负载进行充放电的时刻分别位于第一过零点处和第二过零点处或反之；
所述第一母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间与所述第二母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间相等。
进一步地，所述逆变器包括8个开关管，所述8个开关管分别为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8，所述G1和G4为第一开关组，所述G2和G3为第二开关组，所述G5和G8为第三开关组，所述G6和G7为第四开关组，所述同一开关组中，两个开关管在同一时间只能分别处关断、开通状态，所述G1、G2、G3、G4依次连接组成第一桥臂，所述第一连接端与G2、G3之间电路相连，所述G5、G6、G7、G8依次连接组成第二桥臂，所述第二连接端与G6、G7之间电路相连。
更进一步地，所述母线电容包括第一母线电容C1、第二母线电容C2，所述逆变器还包括地线，所述第一母线电容C1与第二母线电容C2串联，所述地线与第一母线电容C1、第二母线电容C2之间的电路相连，所述G1、G2、G3、G4串联电路的两端分别与第一母线电容C1、第二母线电容C2串联结构的两端相连。
更进一步地，所述逆变器还包括8个二极管，所述8个二极管分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，所述G1与D1反向并联，所述G2与D2反向并联，所述G3与D3反向并联，所述G4与D4反向并联，所述G5与D5反向并联，所述G6与D6反向并联，所述G7与D7反向并联，所述G8与D8反向并联。
更进一步地，所述逆变器还包括第一飞跨电容Cx1、第二飞跨电容Cx2，所述第一飞跨电容Cx1与G2、G3的串联电路并联，所述第二飞跨电容Cx2与G6、G7的串联电路并联。
更进一步地，所述逆变器还包括第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2、第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4相连，所述第一飞跨电容Cx1与第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2的串联结构相并联，所述第二飞跨电容Cx2与第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4的串联结构相并联，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2之间电路与地线相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4之间电路与地线相连。
更进一步地，所述第一连接端、第二连接端与负载相连，所述负载为电机或者变压器绕组。
更进一步地，所述驱动信号时序过程包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1或C2单独接入负载进行放电；第3阶段：C1或C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2或C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C2或C1单独接入负载进行充电。
更进一步地，所述驱动信号时序过程分为奇偶周期，所述驱动信号时序过程奇周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1单独接入负载进行放电；第3阶段：C1单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2单独接入负载进行放电；第6阶段：C2单独接入负载进行充电；所述驱动信号时序过程偶周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段： C2单独接入负载进行放电；第3阶段： C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段： C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C1单独接入负载进行充电。
本发明与现有技术相比，有益效果为：
1）本发明基于混合箝位型三电平H桥逆变器，不增加任何硬件，通过选取合适的开关组合，即可利用绕组实现直流母线电容均压；
2）本发明简单明了，易于理解使用，不需要对占空比进行复杂的处理，在控制程序中实现简单；
3）本发明能够有效解决混合箝位型三电平H桥逆变器母线电容的均压问题，有利于逆变器设备稳定、安全、可靠运行。
附图说明
图1为本发明实施例混合钳位型三电平H桥逆变器电路拓扑示意图；
图2为本发明实施例混合钳位型三电平H桥逆变器的输出电压、电流波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明实施例提供一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，所述驱动信号时序方法应用于逆变器上，所述逆变器包括两个母线电容组，每个电容组为单个电容或者由若干个电容经串联或并联组成，所述两个母线电容组串联；
所述驱动信号时序过程中所述逆变器用于输出脉宽调制波，在所述每个调制波周期内，所述逆变器在输出电压过零点附近的若干载波周期内仅有一个母线电容组接入负载进行充放电，所述同一母线电容组的充电时刻和放电时刻在时间轴上相对于过零点对称；
所述输出电压下降段的过零点为第一过零点，所述电压上升段的过零点为第二过零点，所述第一母线电容组接入负载进行充放电的时刻和所述第二母线电容组接入负载进行充放电的时刻分别位于第一过零点处和第二过零点处或反之；
所述第一母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间与所述第二母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间相等。
可选的，如图1所示，所述逆变器包括8个开关管，所述8个开关管分别为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8，所述G1和G4为第一开关组，所述G2和G3为第二开关组，所述G5和G8为第三开关组，所述G6和G7为第四开关组，所述同一开关组中，两个开关管在同一时间只能分别处关断、开通状态，所述G1、G2、G3、G4依次连接组成第一桥臂，所述第一连接端与G2、G3之间电路相连，所述G5、G6、G7、G8依次连接组成第二桥臂，所述第二连接端与G6、G7之间电路相连。
特别的，如图1所示，所述母线电容包括第一母线电容C1、第二母线电容C2，所述逆变器还包括地线，所述第一母线电容C1与第二母线电容C2串联，所述地线与第一母线电容C1、第二母线电容C2之间的电路相连，所述G1、G2、G3、G4串联电路的两端分别与第一母线电容C1、第二母线电容C2串联结构的两端相连。
特别的，如图1所示，所述逆变器还包括8个二极管，所述8个二极管分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，所述G1与D1反向并联，所述G2与D2反向并联，所述G3与D3反向并联，所述G4与D4反向并联，所述G5与D5反向并联，所述G6与D6反向并联，所述G7与D7反向并联，所述G8与D8反向并联。
特别的，如图1所示，所述逆变器还包括第一飞跨电容Cx1、第二飞跨电容Cx2，所述第一飞跨电容Cx1与G2、G3的串联电路并联，所述第二飞跨电容Cx2与G6、G7的串联电路并联。
特别的，如图1所示，所述逆变器还包括第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2、第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4相连，所述第一飞跨电容Cx1与第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2的串联结构相并联，所述第二飞跨电容Cx2与第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4的串联结构相并联，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2之间电路与地线相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4之间电路与地线相连。
特别的，如图1所示，所述第一连接端、第二连接端与负载相连，所述负载为电机或者变压器绕组。
特别的，如图1所示，所述驱动信号时序过程包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1或C2单独接入负载进行放电；第3阶段：C1或C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2或C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C2或C1单独接入负载进行充电。
特别的，所述驱动信号时序过程分为奇偶周期，所述驱动信号时序过程奇周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1单独接入负载进行放电；第3阶段：C1单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2单独接入负载进行放电；第6阶段：C2单独接入负载进行充电；所述驱动信号时序过程偶周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段： C2单独接入负载进行放电；第3阶段： C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段： C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C1单独接入负载进行充电。
其中，如图1所示为混合箝位型三电平H桥逆变器的拓扑结构，a, b输出端（第一连接端、第二连接端）接至变压器或电机的一相绕组。逆变器的8个开关管记为G1-G8, 与主开关管相对应的是与之反并联的续流二极管D1-D8，C1、C2为直流母线电容，Dx1-Dx4为箝位二极管，Cx1-Cx2为飞跨电容。电容C1、C2上电压分别为U1、U2。Cx1、Cx2上的电压分别为Ux1、Ux2。
图1所示逆变器具有多种开关组合，正常情况下G1和G4、G2和G3、G5和G8、G6和G7的驱动信号互补，即在开关管G1处于开通状态时，G4肯定处于关断状态，同理，G2, G5, G6处于开通状态时，对应的G3, G7, G8肯定处于关断状态。现用4位二进制数“xyzw”代表逆变器所有开关管的开关组合，其中“x”表示G1和G4的开关状态，“x=1”时表示G1开通，G4关断，“x=0”时则相反；“y”表示G2和G3的开关状态，“y=1”时表示G2开通，G3关断，y=“0”时则相反；“z”表示G5和G8的开关状态，“z=1”时表示G5开通、G8关断，“z=0”则相反；“w”表示G6和G7的开关状态，“w=1”时表示G6开通，G7关断，“w=0”时则相反。
除了开关组合外，负载电流的流向也会影响逆变器的工作状态，现定义图1中电流从a端流出、b端流入为电流正方向。显然，考虑负载电流方向之后，图1中逆变器共有32中可能的工作状态。在这32中工作状态中，有些状态下负载电流会直接对飞跨电容Cx1或Cx2进行充放电，而飞跨电容的容值一般较小，负载电流的充放电会使飞跨电容上的电压产生很大的波动，从而使其钳位作用失效。因此，视这些工作状态为非法状态，在逆变器运行时应避免出现这种状态。
在剔除上述非法工作状态后，图1所示逆变器的所有可用工作状态如表1所示。
表1逆变器工作状态。
Figure 939007DEST_PATH_IMAGE001
图2为图1所示混合钳位型三电平H桥逆变器的输出电压、电流波形，一般情况下，输出电压为脉宽调制（PWM）波（一般为正弦脉宽调制波SPWM），定义占空比D为输出载波周期内电压平均值与直流母线总电压的比值。图中电压为滤除高频分量后的波形，为了方便分析，现将每个调制波周期分成六个阶段，如图2所示。图中，tv为占空比从0.5到0的时间，ti为电流滞后电压的时间，t1为第（2）阶段的持续时间，t2为第（3）阶段的持续时间，t3为第（5）阶段的持续时间，t4为第（6）阶段的持续时间，t1、t2、t3、t4均小于tv，同时小于ti。
对于不同阶段，可以选择不同的开关组合，为了能满足所有的工况，（1）阶段只能选择表1中A类与E类开关组合；（2）阶段可以选择A类、B类、E类开关组合；（3）阶段可以选择C类、D类、E类开关组合；（4）阶段可以选择D类、E类开关组合；（5）阶段可以选择C类、D类、E类开关组合；（6）阶段可以选择A类，B类、E类开关组合
变压器或者电机运行时，每相绕组两端的电压与内部反电势基本相等，由于变压器或电机的对称特性，如果能让不同的母线电容在每个周期内相对对称的位置单独给某相绕组供电，则可以利用变压器或者电机绕组传递能量，从而实现不同母线电容的均压。结合上文分析，显然这一目标可以在第（2）、（3）、（5）、（6）阶段实现。
本发明实施例中，为了实现母线电容C1、C2均压的目的，在每个调制波周期内可以选择合适的开关组合，使C1在第（2）阶段接入负载进行放电，第（3）阶段接入负载进行充电；C2在第（5）阶段接入负载进行放电、第（6）阶段接入负载进行充电。或者选择合适的开关组合，使C2在第（2）阶段接入负载进行放电，第（3）阶段接入负载进行充电；C3在第（5）阶段接入负载进行放电、第（6）阶段接入负载进行充电。同时使t1=t2=t3=t4，即第（2）阶段、第（3）阶段、第（5）阶段、第（6）阶段的持续时间均相等。如此一来，C1（C2）的充电时刻和放电时刻在时间轴上即可相对于电压过零点对称。并且C1单独接入负载进行充放电的总时间与C2单独接入负载进行充放电的总时间相等。
而为了达到更好的均压效果，还可以将周期分成奇数周期与偶数周期，在奇偶周期内实现C1、C2参与负载进行充放电的时间的轮换。
以下为本发明实施案逆变器奇偶周期驱动信号时序工作方案，开关组合按表2与表3选取。
表2驱动信号时序（奇数周期）。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表3驱动信号时序（偶数周期）
Figure 980781DEST_PATH_IMAGE003
由表2可以看出，第（2）阶段选择“1110”的开关组合让C1单独接入负载放电，第（3）阶段选择“0111”的开关组合让C1单独接入负载充电，第（5）阶段选择“0001”的开关组合让C2单独接入负载放电，第（6）阶段选择“1000”的开关组合让C2单独接入负载充电。同时第（2）阶段、第（3）阶段、第（5）阶段、第（6）阶段的持续时间均相等。显然，此时C1（C2）的充电时刻与放电时刻在时间轴上相对于电压过零点对称，且总的放电时间与充电时间相等。同时，C1和C2接入负载充放电的总时间也相等。
对比表2与表3还可以看出，奇数周期与偶数周期内实现了C1、C2接入负载进行充放电的时间的轮换。
试验结果表明，本实施例中逆变器直流母线电容的均压效果很好。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合箝位型三电平H桥逆变器的驱动信号时序方法，其特征在于，
逆变器包括两个母线电容组，每个电容组为单个电容或者由若干个电容经串联或并联组成，两个母线电容组串联，两个母线电容组分别为第一母线电容组、第二母线电容组；
驱动信号时序过程中逆变器用于输出脉宽调制波，在每个调制波周期内，逆变器在输出电压过零点附近的若干载波周期内仅有一个母线电容组接入负载进行充放电，同一母线电容组的充电时刻和放电时刻在时间轴上相对于过零点对称；
输出电压下降段的过零点为第一过零点，电压上升段的过零点为第二过零点，第一母线电容组接入负载进行充放电的时刻和第二母线电容组接入负载进行充放电的时刻分别位于第一过零点处和第二过零点处或反之；
第一母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间与第二母线电容组单独接入负载进行充放电的总时间相等。
2.根据权利要求1所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述逆变器包括第一连接端、第二连接端，所述逆变器包括8个开关管，所述8个开关管分别为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8，所述G1和G4为第一开关组，所述G2和G3为第二开关组，所述G5和G8为第三开关组，所述G6和G7为第四开关组，同一开关组中，两个开关管在同一时间只能分别处关断、开通状态，所述G1、G2、G3、G4依次连接组成第一桥臂，所述第一连接端与G2、G3之间电路相连，所述G5、G6、G7、G8依次连接组成第二桥臂，所述第二连接端与G6、G7之间电路相连。
3.根据权利要求2所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述母线电容组包括第一母线电容C1、第二母线电容C2，所述逆变器还包括地线，所述第一母线电容C1与第二母线电容C2串联，所述地线与第一母线电容C1、第二母线电容C2之间的电路相连，所述G1、G2、G3、G4串联电路的两端分别与第一母线电容C1、第二母线电容C2串联结构的两端相连。
4.根据权利要求3所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述逆变器还包括8个二极管，所述8个二极管分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，所述G1与D1反向并联，所述G2与D2反向并联，所述G3与D3反向并联，所述G4与D4反向并联，所述G5与D5反向并联，所述G6与D6反向并联，所述G7与D7反向并联，所述G8与D8反向并联。
5.根据权利要求4所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述逆变器还包括第一飞跨电容Cx1、第二飞跨电容Cx2，所述第一飞跨电容Cx1与G2、G3的串联电路并联，所述第二飞跨电容Cx2与G6、G7的串联电路并联。
6.根据权利要求5所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述逆变器还包括第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2、第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4相连，所述第一飞跨电容Cx1与第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2的串联结构相并联，所述第二飞跨电容Cx2与第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4的串联结构相并联，所述第一箝位二极管Dx1、第二箝位二极管Dx2之间电路与地线相连，所述第三箝位二极管Dx3、第四箝位二极管Dx4之间电路与地线相连。
7.根据权利要求1所述的驱动信号时序方法，其特征在于所述负载为电机或者变压器绕组。
8.根据权利要求3任一项所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述驱动信号时序过程包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1或C2单独接入负载进行放电；第3阶段：C1或C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2或C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C2或C1单独接入负载进行充电。
9.根据权利要求8所述的驱动信号时序方法，其特征在于，所述驱动信号时序过程分为奇偶周期，所述驱动信号时序过程奇周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C1单独接入负载进行放电；第3阶段：C1单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C2单独接入负载进行放电；第6阶段：C2单独接入负载进行充电；所述驱动信号时序过程偶周期包括第1阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第2阶段：C2单独接入负载进行放电；第3阶段：C2单独接入负载进行充电；第4阶段：C1和C2串联后同时接入负载进行充放电；第5阶段：C1单独接入负载进行放电；第6阶段：C1单独接入负载进行充电。
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