CN110943604A - 一种多电平功率放大器的死区控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平功率放大器的死区控制方法及系统，通过SHEPWM技术计算得到N个方波逆变器的开通角；通过移相调制，利用开通角得到任一个方波逆变器的四个开关管的导通波形；从开关管的导通波形中，确定死区插入时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4，其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻；在θ1‑Δθ，θ2‑Δθ，θ3‑Δθ，θ4‑Δθ时刻对输出电流进行检测，根据电流方向判断死区的插入方式，得到插入死区的开关管的导通波形。相比于传统的固定死区插入方案会引入不同程度的低次谐波，本发明采用灵活的死区在线插入方案，可以在任意负载电流的情况下，在输出电流侧完全不引入额外的低次谐波，使得输出波形能够很好的符合理想波形。

Description

一种多电平功率放大器的死区控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种多电平功率放大器的死区控制方法及系统。
背景技术
在电力电子领域的工程实践中，同一桥臂下的两根开关管并不能以理想的“互补导通”的方式工作，为了避免桥臂直通而加入的“死区”将会导致实际输出波形与理论波形存在差异。针对于特定次谐波消除技术，“死区”将会导致理论计算得到的输出波形畸变，谐波含量增大。
在传统的变压器级联多电平功率放大器的控制中，往往采用离线计算N路功率模块的开关表，预先写入各功率模块的控制器的方式。由于工程实际中，开关管的驱动信号存在硬件延时，IGBT自身的开通和关断也需要时间，为了防止单个功率模块中同一桥臂的上下管出现直通现象，必须要在驱动信号中插入“死区”。国内外学者在解决这一问题，多采用死区补偿的方法，多种死区补偿的方法在PWM调制领域都有不错的效果，可保证输出基波幅值与理论计算一致，且对死区引入的低频谐波有一定的抑制作用。但在SHEPWM(特定次数谐波消除脉宽调制)技术中，即使是对死区进行补偿，也只能将死区引入的低频谐波减小而非完全“消除”，这就有违SHEPWM的初衷。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多电平功率放大器的死区控制方法及系统，旨在消除传统死区在输出波形上的影响。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种多电平功率放大器的死区控制方法，多电平功率放大器包括通过级联变压器串联的N个功率单元，每个功率单元均为H桥结构，同一桥臂包括上、下两个开关管，方法包括以下步骤：
(1)通过SHEPWM技术计算得到N个方波逆变器的开通角αi(i＝1,2,3，…，N)；
(2)对于任一个方波逆变器，通过移相调制的原理，从对应的αi可以反推出四个开关管的导通波形；
(3)从开关管的导通波形中，得到死区插入时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4；其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻
(4)根据实际的驱动电路及所使用的IGBT的开通关断特性，计算出合适的死区时间Δθ；在θ1-Δθ，θ2-Δθ，θ3-Δθ，θ4-Δθ时刻对H桥输出电流进行检测，根据其方向，判断死区的插入方式，进而灵活地插入死区。死区插入方式分为提前关断和延时开通两种。
其中，定义电流方向从方波逆变器的第一桥臂流向第二桥臂为正，从方波逆变器的第二桥臂流向第一桥臂为负。在θ1-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ1-Δθ时刻关断第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ1+Δθ时刻开通第一桥臂上开关管；
在θ2-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ2+Δθ时刻开通第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ2-Δθ时刻关断第二桥臂下开关管；
在θ3-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ3+Δθ时刻开通第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ3-Δθ时刻关断在第一桥臂上开关管；
在θ4-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ4-Δθ时刻关断第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ4+Δθ时刻开通第二桥臂下开关管。
优选地，开关管均为含有反并联二极管的IGBT复合管。
按照本发明的另一方面，提供了一种多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，包括：
开通角获取模块，用于通过SHEPWM技术计算得到N个方波逆变器的开通角；
导通波形获取模块，用于通过移相调制，利用所述开通角得到任一个方波逆变器的四个开关管的导通波形；
死区插入模块，用于从开关管的导通波形中，确定同一桥臂上下管导通状态互换的时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4，其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻，在θ1-Δθ，θ2-Δθ，θ3-Δθ，θ4-Δθ时刻对输出电流进行检测，根据电流方向判断死区的插入方式，得到插入死区的开关管的导通波形。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，对于变压器级联多电平功率放大器在特定次谐波消除的应用场合中，在不同的负载电流情况下，传统的固定死区插入方案会引入不同程度的低次谐波，这将会使实际得到的输出波形相较于理论波形质量下降，且有违于谐波消除的初衷。本发明采用灵活的死区插入方案，可以在任意负载电流的情况下，在输出电流侧完全不引入额外的低次谐波，使得输出波形能够很好的符合理想波形。
附图说明
图1是本发明提供的多电平功率放大器的主电路拓扑图；
图2是本发明通过SHEPWM技术获取方波逆变器的开通角的示意图；
图3是本发明提供的多电平功率放大器的H桥拓扑图；
图4是本发明提供的多电平功率放大器的调制方案示意图；
图5是本发明提供的多电平功率放大器的死区控制系统的结构框图；
图6(a)至图6(h)是本发明8种输出电压的示意图；
图7是本发明死区位置和插入方式的对应关系示意图；
图8是现有固定死区生成方式的输出电压；
图9是本发明插入死区的输出电压。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的多电平功率放大器包括通过级联变压器串联的N个方波逆变器，变压器二次侧输出幅值为N倍Udc的交流阶梯波，主电路拓扑如图1所示。以4电平为例，由特定次数谐波消除技术计算得到N个方波逆变器的开通角，N个功率单元输出波形如图2所示，其中，αi为第i个功率单元的开通角。每个方波逆变器均为H桥结构第一桥臂和第二桥臂均包括上、下两个开关管，由于IGBT单管只有单相通流能力，四个开关管均选用含有反并联二极管的IGBT复合管，如图3所示，单个方波逆变器输出的交流方波电压由两桥臂分别输出50％占空比方波移相得到，调制方案见图4，其中Sx为高/低表示对应开关管的通/断，x＝1,2,3,4。理论上同一桥臂上的开关管状态应当无缝衔接，可以得到状态切换时刻θ1、θ2、θ3、θ4。但在实际工程中，IGBT开关管的开通和关断存在延时，如果同时发送一管的开通信号和对应另一管的关断信号，可能会出现上下两管同时导通——桥臂直通的状况，此时过大的电流会烧坏IGBT。因此工程实际中，同一桥臂上下两管的状态切换必须经过一个“死区”——上下两管均关断的状态，即θ1和θ3时刻在左桥臂插入死区，θ2和θ4时刻在右桥臂插入死区，死区插入的方式分为延时开通和提前关断两种。
图5为本发明提供的多电平功率放大器的死区控制系统，包括：
开通角获取模块，用于计算N个方波逆变器的开通角；
导通波形获取模块，用于通过移相调制，利用开通角得到任一个方波逆变器的四个开关管的导通波形；
死区插入模块，用于从开关管的导通波形中，确定同一桥臂上下管导通状态互换的时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4，其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻，在θ1-Δθ，θ2-Δθ，θ3-Δθ，θ4-Δθ时刻对输出电流进行检测，根据电流方向判断死区的插入方式，得到插入死区的开关管的导通波形。
单一桥臂空载，“死区”状态下，输出端为高阻态(输出电位不定)；若带载，“死区”状态下的输出电压由输出电流方向决定。具体的，定义从第一桥臂(Vout+)流向第二桥臂(Vout-)为正方向，输出电压Vout＝Vout+-Vout-。在θ1、θ2、θ3、θ4时刻，根据输出电流的方向不同，输出电压有图6(a)至(h)中的8种情况：
(a)在θ1处，若输出电流方向为正，则输出电压为：
Vout＝VDC--VDC-＝0
(b)在θ1处，若输出电流方向为负，则输出电压为：
Vout＝VDC+-VDC-＝VDC
(c)在θ2处，若输出电流方向为正，则输出电压为：
Vout＝VDC+-VDC+＝0
(d)在θ2处，若输出电流方向为负，则输出电压为：
Vout＝VDC+-VDC-＝VDC
(e)在θ3处，若输出电流方向为正，则输出电压为：
Vout＝VDC--VDC+＝-VDC
(f)在θ3处，若输出电流方向为负，则输出电压为：
Vout＝VDC+-VDC+＝0
(g)在θ4处，若输出电流方向为正，则输出电压为：
Vout＝VDC--VDC+＝-VDC
(h)在θ4处，若输出电流方向为负，则输出电压为：
Vout＝VDC--VDC-＝0
根据实际负载电流方向，确定θi(i＝1,2,3,4)处死区状态输出电压，据此判断死区应该插在θi时刻的左侧还是右侧，进而确定采用相对应的延时开通还是提前关断的死区插入方式。死区位置和插入方式的对应关系见图7。
实施例
(1)通过SHEPWM技术计算得到N路方波逆变器的开通角αi(i＝1,2,3，…，N)；
(2)对于任一路方波逆变器，通过移相调制的原理，从对应的αi可以反推出该路H桥四个开关管的导通波形；
(3)从开关管的导通波形中，得到死区插入时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4；
(4)根据实际的驱动电路及所使用的IGBT的开通关断特性，计算出合适的死区时间Δθ；
(5)在θ1-Δθ时刻测量输出侧电流，若电流方向为正，则选择提前关断的死区插入方式，在θ1-Δθ时刻关断S2；若电流方向为负，则选择延时开通的死区插入方式，在θ1+Δθ时刻开通S1；
(6)在θ2-Δθ时刻测量输出侧电流，若电流方向为正，则选择延时开通的死区插入方式，在θ2+Δθ时刻开通S3；若电流方向为负，则选择提前关断的死区插入方式，在θ2-Δθ时刻关断S4；
(7)在θ3-Δθ时刻测量输出侧电流，若电流方向为正，则选择延时开通的死区插入方式，在θ3+Δθ时刻开通S2；若电流方向为负，则选择提前关断的死区插入方式，在θ3-Δθ时刻关断S1；
(8)在θ4-Δθ时刻测量输出侧电流，若电流方向为正，则选择提前关断的死区插入方式，在θ4-Δθ时刻关断S3；若电流方向为负，则选择延时开通的死区插入方式，在θ4+Δθ时刻开通S4；
(9)对于每个功率单元，都在同步地进行步骤(2)～(8)，输出的交流方波经过级联变压器串联输出，得到最终的N电平阶梯电压波。
以阻性负载为例，输出电流为叠加后形成的与电压波同频同向的阶梯波，若按照传统的固定死区生成方式，不加判断地统一采用提前关断或延迟关断的方式插入死区，得到的输出电压谐波含量见图8；而采用本发明中的“检测输出电流，在线插入死区”的方案，得到的输出电压谐波含量见图9。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多电平功率放大器的死区控制方法，多电平功率放大器包括通过级联变压器串联的N个方波逆变器，每个方波逆变器均为H桥结构，第一桥臂和第二桥臂均包括上、下两个开关管，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算N个方波逆变器的开通角；
(2)通过移相调制，利用所述开通角得到任一个方波逆变器的四个开关管的导通波形；
(3)从所述开关管的导通波形中，确定死区插入时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4，其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻；
(4)在θ1-Δθ，θ2-Δθ，θ3-Δθ，θ4-Δθ时刻对输出电流进行检测，根据电流方向判断死区的插入方式，得到插入死区的开关管的导通波形；
其中，Δθ为死区时间。
2.根据权利要求1所述的多电平功率放大器的死区控制方法，其特征在于，定义电流方向从方波逆变器的第一桥臂流向第二桥臂为正，从方波逆变器的第二桥臂流向第一桥臂为负。
3.根据权利要求2所述的多电平功率放大器的死区控制方法，其特征在于，在θ1-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ1-Δθ时刻关断第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ1+Δθ时刻开通第一桥臂上开关管；
在θ2-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ2+Δθ时刻开通第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ2-Δθ时刻关断第二桥臂下开关管；
在θ3-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ3+Δθ时刻开通第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ3-Δθ时刻关断第一桥臂上开关管；
在θ4-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ4-Δθ时刻关断第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ4+Δθ时刻开通第二桥臂下开关管。
4.根据权利要求1所述的多电平功率放大器的死区控制方法，其特征在于，所述死区的插入方式分为提前关断和延时开通。
5.根据权利要求1所述的多电平功率放大器的死区控制方法，其特征在于，所述开关管均为含有反并联二极管的IGBT复合管。
6.一种多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，包括：
开通角获取模块，用于计算N个方波逆变器的开通角；
导通波形获取模块，用于通过移相调制，利用所述开通角得到任一个方波逆变器的四个开关管的导通波形；
死区插入模块，用于从所述开关管的导通波形中，确定同一桥臂上下管导通状态互换的时刻，记为θ1、θ2、θ3、θ4，其中，θ1、θ3为第一桥臂死区插入时刻，θ2、θ4为第二桥臂死区插入时刻，在θ1-Δθ，θ2-Δθ，θ3-Δθ，θ4-Δθ时刻对输出电流进行检测，根据电流方向判断死区的插入方式，得到插入死区的开关管的导通波形。
7.根据权利要求6所述的多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，定义电流方向从方波逆变器的第一桥臂流向第二桥臂为正，从方波逆变器的第二桥臂流向第一桥臂为负。
8.根据权利要求7所述的多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，在θ1-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ1-Δθ时刻关断第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ1+Δθ时刻开通第一桥臂上开关管；
在θ2-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ2+Δθ时刻开通第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ2-Δθ时刻关断第二桥臂下开关管；
在θ3-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第一桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ3+Δθ时刻开通第一桥臂下开关管；若电流方向为负，则在第一桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ3-Δθ时刻关断第一桥臂上开关管；
在θ4-Δθ时刻，若电流方向为正，则在第二桥臂选择提前关断的死区插入方式，即在θ4-Δθ时刻关断第二桥臂上开关管；若电流方向为负，则在第二桥臂选择延时开通的死区插入方式，即在θ4+Δθ时刻开通第二桥臂下开关管。
9.根据权利要求6所述的多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，所述死区的插入方式分为提前关断和延时开通。
10.根据权利要求6所述的多电平功率放大器的死区控制系统，其特征在于，所述开关管均为含有反并联二极管的IGBT复合管。
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