CN111245271B - 一种h桥五电平有源中点钳位逆变器及死区效应抑制方法 - Google Patents

一种h桥五电平有源中点钳位逆变器及死区效应抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种H桥五电平有源中点钳位逆变器，由五电平有源中点钳位型拓扑结构的左右桥臂连接而成，左、右桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联；还公开了其死区效应抑制方法，通过将高压管在电压过零点死区时间内的开关状态维持在上一个状态，改变死区时间内的续流通路，使得死区时间内5L‑ANPC逆变器输出零电平，抑制了有源中点钳位五电平H桥输出电压过零点处由死区效应导致的多电平越级跳变问题，降低了对输出负载dv/dt的要求。

Description

一种H桥五电平有源中点钳位逆变器及死区效应抑制方法
技术领域
本发明属于变流器控制技术领域，具体涉及一种H桥五电平有源中点钳位逆变器，以及其死区效应抑制方法。
背景技术
多电平变换器具有高功率因数、低开关损耗、低谐波含量、低dv/dt等优点，已广泛应用在新能源并网、交流调速、直流输电等领域。而五电平有源中点钳位型逆变器相对传统的二极管钳位型、飞跨电容型逆变器，不需要大量的钳位二极管和钳位电容，且易于实现电容电压的平衡控制，控制系统的复杂性较低，正受到越来越多的关注。
为了防止电源直通而引入的死区时间会导致五电平有源中点钳位H桥逆变器在输出电压过零点处出现多电平越级跳变现象，多电平越级跳变现象会导致过高的dv/dt，这对主回路吸收电路和输出滤波器提出了更高的设计要求，也不利于电机等负载的绝缘。
目前现有的研究文献通过采用额外的硬件增加续流通路的方式，增加了系统的体积、成本以及控制复杂度。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的之一在于提供一种H桥五电平有源中点钳位逆变器及其死区效应抑制方法，以抑制传统有源中点钳位型五电平H桥逆变器输出电压过零点多电平越级跳变问题。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有源中点钳位五电平H桥逆变器，由结构完全一致的左、右桥臂组成，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构，左、右桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联；所述的五电平有源中点钳位型拓扑结构包括由开关器件S1L/S1R、开关器件S1L'/S1R'、开关器件S2L/S2R、开关器件S2L'/S2R'依次连接形成的第一支路，由开关器件S3L/S3R、开关器件S4L/S4R、开关器件S4L'/S4R'、开关器件S3L'/S3R'依次连接形成的第二支路，由第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2形成的第三支路和由悬浮电容器CfL/CfR形成的第四支路，开关器件S1L/S1R～S4L/S4R、开关器件S1L'/S1R'～S4L'/S4R'的发射极分别与二极管D1L/D1R～D4L/D4R、二极管D1L'/D1R'～D4L'/D4R'的正极相连接，开关器件S1L/S1R～S4L/S4R、开关器件S1L'/S1R'～S4L'/S4R'的集电极分别与二极管D1L/D1R～D4L/D4R、二极管D1L'/D1R'～D4L'/D4R'的负极相连接；所述的第一支路中开关器件S1L/S1R的发射极同时与开关器件S1L'/S1R'的集电极、开关器件S3L/S3R的集电极相连接，开关器件S1L'/S1R'的发射极同时与第一分压电容器Cd1的负极、开关器件S2L/S2R的集电极相连接，开关器件S2L/S2R的发射极同时与开关器件S2L'/S2R'的集电极、开关器件S3L'/S3R'的发射极相连接；所述的第二支路中开关器件S3L/S3R的发射极同时与开关器件S4L/S4R集电极、悬浮电容器CfL/CfR的正极相连接，开关器件S4L/S4R的发射极与开关器件S4L'/S4R'的集电极相连接，开关器件S4L'/S4R'的发射极同时与悬浮电容器CfL/CfR的负极、开关器件S3L'/S3R'的集电极相连接；所述的第三支路中第一分压电容器Cd1的正极与开关器件S1L/S1R的集电极相连接，第一分压电容器Cd1的负极与第二分压电容器Cd2的正极相连接，第二分压电容器Cd2的负极与开关器件S2L'/S2R'的集电极相连接；所述的第四支路中悬浮电容器CfL/CfR的正极同时连接开关器件S3L/S3R的发射极、开关器件S4L/S4R的集电极，悬浮电容器CfL/CfR的负极同时连接开关器件S4L'/S4R'的发射极、开关器件S3L'/S3R'的集电极。
一种H桥五电平有源中点钳位逆变器的死区效应抑制方法，包括以下步骤：
步骤1，以与第三支路连接的第一支路作为高压管，以第二支路和第四支路作为高频管，根据新型载波移相PSPWM调制策略，计算得到左右桥臂的高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx；
步骤2，根据载波移相PSPWM调制策略，确认左右桥臂各开关管对应的三角载波信号；
步骤3，将左右桥臂的高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx分别与对应的三角载波比较后，输出最终的PWM驱动信号给H桥五电平有源中点钳位逆变器。
进一步，所述的步骤1的具体过程如下：
步骤1.1，设逆变器输出相参考电压为Uo，则由如下公式可得到左、右桥臂对母线中点的参考电压UoL、UoR：
Figure BDA0002373131790000031
对应的高频管S3x/S4x的调制波由如下公式得到：
Figure BDA0002373131790000041
步骤1.2，由如下公式计算高压管S1x的调制波：
Figure BDA0002373131790000042
进一步，所述的步骤2的具体过程如下：
令左、右桥臂的高压管中S1x、S1x'、S2x、S2x'对应载波C5，左桥臂的高频管中S3L/S3L'、S4L/S4L'分别对应载波C1、C2，右桥臂的高频管中S3R/S3R'、S4R/S4R'分别对应载波C3、C4；
令五个载波C1、C2、C3、C4、C5的周期为Ts，对应的周期寄存器值为N且为三角载波，载波C1为基础载波，载波C2滞后基础载波Ts/2，载波C3滞后基础载波Ts/4，载波C4超前基础载波Ts/4，载波C5滞后基础载波Td，Td为死区时间；
则载波C1、C2、C3、C4、C5生成方式为连续增减计数模式；载波C1、C2、C3、C4、C5的计数相位值分别为0、N、N/2、N/2、Td*N*2/Ts。
进一步，所述的步骤3的具体过程如下：载波C1、C2、C3、C4以基础载波C1的载波计数器为基准更新比较寄存器的值，载波C5以自身的载波计数器为基准更新比较寄存器的值；当基础载波C1的载波计数值为0时，更新载波C1、C2、C3、C4对应的比较寄存器值，用于生成高频管的驱动信号，将比较寄存器的值与载波比较得到高频管的PWM脉冲；当载波C5的载波计数值为0时，更新载波C5对应的比较寄存器值，用于生成高压管的驱动信号，比较寄存器的值与载波比较得到高压管的PWM脉冲；其中当比较寄存器的值大于载波时对应开关管的控制信号为低电平，开关管导通，反之，输出高电平，开关管关断。
本发明的有益效果是：本发明通过维持高压管在输出电压过零点死区时间内的开关状态，抑制了H桥型5L-ANPC型逆变器输出电压过零点处多电压跳变问题。本发明所采用的技术方案具有以下优点：不改变H桥型5L-ANPC型逆变器拓扑结构，不增加控制的复杂度，且易于软件编程实现。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构图；
图2为本发明死区效应抑制方法的示意图；
图3为现有技术中H桥5L-ANPC逆变器载波移相PWM示意图；
图4为本发明的H桥5L-ANPC逆变器新型载波移相PWM示意图；
图5和图6为逆变器输出电压由正转负瞬间各开关管的导通关断情况：图5为未加死区效应抑制方法，图6为加死区效应抑制方法；
图7和图8为逆变器输出电压由负转正瞬间各开关管的导通关断情况：图7为未加死区效应抑制方法，图8为加死区效应抑制方法；
图9为逆变器未采用死区效应抑制方法所得输出电压仿真波形；
图10为逆变器采用死区效应抑制方法所得输出电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步详细叙述。
参照图1所示，本发明公开的一种H桥五电平有源中点钳位(5L-ANPC)逆变器，由结构完全一致的左、右桥臂组成，每个桥臂均为五电平有源中点钳位型拓扑结构，左、右桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联。
所述的五电平有源中点钳位型拓扑结构包括由开关器件S1L/S1R、开关器件S1L'/S1R'、开关器件S2L/S2R、开关器件S2L'/S2R'依次连接形成的第一支路，由开关器件S3L/S3R、开关器件S4L/S4R、开关器件S4L'/S4R'、开关器件S3L'/S3R'依次连接形成的第二支路，由第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2形成的第三支路和由悬浮电容器CfL/CfR形成的第四支路，开关器件S1L/S1R～S4L/S4R、开关器件S1L'/S1R'～S4L'/S4R'的发射极分别与二极管D1L/D1R～D4L/D4R、二极管D1L'/D1R'～D4L'/D4R'的正极相连接，开关器件S1L/S1R～S4L/S4R、开关器件S1L'/S1R'～S4L'/S4R'的集电极分别与二极管D1L/D1R～D4L/D4R、二极管D1L'/D1R'～D4L'/D4R'的负极相连接。
所述的第一支路中开关器件S1L/S1R的发射极同时与开关器件S1L'/S1R'的集电极、开关器件S3L/S3R的集电极相连接，开关器件S1L'/S1R'的发射极同时与第一分压电容器Cd1的负极、开关器件S2L/S2R的集电极相连接，开关器件S2L/S2R的发射极同时与开关器件S2L'/S2R'的集电极、开关器件S3L'/S3R'的发射极相连接。
所述的第二支路中开关器件S3L/S3R的发射极同时与开关器件S4L/S4R集电极、悬浮电容器CfL/CfR的正极相连接，开关器件S4L/S4R的发射极与开关器件S4L'/S4R'的集电极相连接，开关器件S4L'/S4R'的发射极同时与悬浮电容器CfL/CfR的负极、开关器件S3L'/S3R'的集电极相连接。
所述的第三支路中第一分压电容器Cd1的正极与开关器件S1L/S1R的集电极相连接，第一分压电容器Cd1的负极与第二分压电容器Cd2的正极相连接，第二分压电容器Cd2的负极与开关器件S2L'/S2R'的集电极相连接。
所述的第四支路中悬浮电容器CfL/CfR的正极同时连接开关器件S3L/S3R的发射极、开关器件S4L/S4R的集电极，悬浮电容器CfL/CfR的负极同时连接开关器件S4L'/S4R'的发射极、开关器件S3L'/S3R'的集电极。
由图1所示的H桥五电平有源中点钳位的开关状态表如下。
Figure BDA0002373131790000071
由上表可知，开关管S1x、S2x、S3x、S4x分别与S1x'、S2x'、S3x'、S4x'互补开关动作，S1x、S2x必须同时导通或关断。假设以从桥臂流向负载为正方向，悬浮电容以流出电容为正方向，以中点电流流出中点为正方向。本发明H桥五电平有源中点钳位逆变器的死区效应抑制方法，包括以下步骤：
步骤1，以与第三支路连接的第一支路作为高压管，以第二支路和第四支路作为高频管，根据新型载波移相PSPWM调制策略，计算得到左右桥臂的高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx。
步骤1.1，假设H桥5L-ANPC逆变器输出相参考电压为Uo，则左、右桥臂对母线中点的参考电压分别为UoL、UoR，如式(1)所示：
Figure BDA0002373131790000081
对应的高频管S3x/S4x的调制波如公式(2)所示：
Figure BDA0002373131790000082
步骤1.2计算高压管S1x的调制波如公式(3)所示：
Figure BDA0002373131790000083
其中x代表左右桥臂L、R。
步骤2，根据载波移相PSPWM调制策略，确认左右桥臂各开关管对应的三角载波信号。
所述的新型载波移相PSPWM调制策略，左右桥臂各开关管对应的载波：左、右桥臂的高压管中开关器件S1x、S1x'、S2x、S2x'对应载波C5，左桥臂的高频管中开关器件S3L/S3L'、S4L/S4L'分别对应载波C1、C2，右桥臂的高频管中开关器件S3R/S3R'、S4R/S4R'分别对应载波C3、C4。
各载波的相位关系：五个载波C1、C2、C3、C4、C5的周期为Ts，对应的周期寄存器值为N，均为三角载波。载波C1为基础载波，载波C2滞后基础载波Ts/2，载波C3滞后基础载波Ts/4，载波C4超前基础载波Ts/4，载波C5滞后基础载波Td，Td为死区时间。
载波的生成方式：载波C1、C2、C3、C4、C5生成方式为连续增减计数模式，载波C1、C2、C3、C4、C5的计数相位值分别为0、N、N/2、N/2、Td*N*2/Ts。
步骤3，将左右桥臂的高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx分别与对应的三角载波比较后，输出最终的PWM驱动信号给H桥五电平有源中点钳位逆变器。
各载波比较值的更新方式：载波C1、C2、C3、C4以基础载波C1的载波计数器为基准更新比较寄存器的值，载波C5以自身的载波计数器为基准更新比较寄存器的值。即当基础载波C1的载波计数值为0时，更新载波C1、C2、C3、C4对应的比较寄存器值，用于生成高频管的驱动信号，将比较寄存器的值与载波比较得到高频管的PWM脉冲；当载波C5的载波计数值为0时，更新载波C5对应的比较寄存器值，用于生成高压管的驱动信号，比较寄存器的值与载波比较得到高压管的PWM脉冲，其中，当比较寄存器的值大于载波时对应开关管的控制信号为低电平，开关管导通，反之，输出高电平，开关管关断。
本发明的抑制方法采用一种新型的载波移相调制策略，通过将高压管在电压过零点死区时间内的开关状态维持在上一个状态，改变死区时间内的续流通路，使得死区时间内5L-ANPC逆变器输出零电平，抑制了五电平有源中点钳位H桥逆变器在其输出电压过零点处由于死区效应导致的多电平越级跳变问题。
图3为现有技术中H桥5L-ANPC逆变器载波移相PWM示意图，图4为本发明的H桥5L-ANPC逆变器新型载波移相PWM示意图。其中，本发明的H桥5L-ANPC逆变器新型载波移相策略与现有技术的H桥5L-ANPC逆变器载波移相策略相比，增加了一个载波5且载波5滞后基础载波Td。
结合图2所示的死区时间内的续流通路，对于图5未加死区效应抑制策略情况，左桥臂输出电压由正转负瞬间，此时输出电流方向为正，高压管S1L、S2L立即关断，由于死区的存在，S1L'、S2L'仍维持在关断状态，电流沿着S1L'的反并联二极管，S3L，S4L'流向负载，左桥臂输出电压为-E。此时，右桥臂输出电压由负转正瞬间，输出电流方向为负，高压管S1R'、S2R'，高频管S3L、S4L立刻关断，由于死区的存在，高压管S1R、S2R，高频管S3R'、S4R'仍维持在关断状态，电流沿着S1R、S3R、S4R的反并联二极管流向上母线，右桥臂输出电压为2E。H桥在电压过零点出现E至-3E至-E跨电平跳变。对于图6加死区效应抑制策略情况，右桥臂在死区时间内，高压管S1R'、S2R'仍维持在上一状态(导通状态)，电流沿着S1R'的反并联二极管，S3R，S4R流向母线中点，此时右桥臂输出电压为0，加死区效应抑制策略后，H桥在过零点出现E至-E电平跳变。
图7和图8为H桥5L-ANPC逆变器输出电压由负转正瞬间，各开关管的导通关断情况。同理，分析可得加死区效应抑制方法前，H桥在电压过零点出现-E至3E至E跨电平跳变；加死区效应抑制方法后，H桥在过零点出现-E至E电平跳变。
图9和图10为H桥5L-ANPC逆变器未采用死区效应抑制方法、采用死区效应抑制方法的MATLAB/Simulink仿真波形。从图中可以看出，未采用死区效应抑制方法时，逆变器输出电压在过零点处出现多电平跳变，而本发明的死区效应抑制方法，抑制了有源中点钳为五电平H桥在其输出电压过零点处由死区效应导致的多电平越级跳变。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种H桥五电平有源中点钳位逆变器的死区效应抑制方法，其特征在于，基于五电平有源中点钳位型拓扑结构的左右桥臂连接而成的H桥五电平有源中点钳位逆变器，其中左、右桥臂的直流母线两端并联之后分别连接第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2，所述的第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2串联；所述的桥臂包括由开关器件S1x、开关器件S1x'、开关器件S2x和开关器件S2x'依次连接形成的第一支路，由开关器件S3x、开关器件S4x、开关器件S4x'和开关器件S3x'依次连接形成的第二支路，由第一分压电容器Cd1和第二分压电容器Cd2形成的第三支路以及由悬浮电容器Cfx形成的第四支路，其中x表示左右桥臂L或R；所述的开关器件S1x～S4x和S1x'～S4x'上分别反向并联有二极管D1x～D4x和D1x'～D4x'；所述的第一支路中开关器件S1x的发射极同时与开关器件S1x'的集电极和开关器件S3x的集电极相连接，开关器件S1x'的发射极同时与第一分压电容器Cd1的负极和开关器件S2x的集电极相连接，开关器件S2x的发射极同时与开关器件S2x'的集电极和开关器件S3x'的发射极相连接；所述的第二支路中开关器件S3x的发射极同时与开关器件S4x的集电极和悬浮电容器Cfx的正极相连接，开关器件S4x的发射极与开关器件S4x'的集电极相连接，开关器件S4x'的发射极同时与悬浮电容器Cfx的负极和开关器件S3x'的集电极相连接；所述的第三支路中第一分压电容器Cd1的正极与开关器件S1x的集电极相连接，第一分压电容器Cd1的负极与第二分压电容器Cd2的正极相连接，第二分压电容器Cd2的负极与开关器件S2x'的集电极相连接；所述的第四支路中悬浮电容器Cfx的正极同时连接开关器件S3x的发射极和开关器件S4x的集电极，悬浮电容器Cfx的负极同时连接开关器件S4x'的发射极和开关器件S3x'的集电极；
包括以下步骤：
步骤1，以与第三支路连接的第一支路作为高压管，以第二支路和第四支路作为高频管，根据载波移相PSPWM调制策略，计算得到高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx；
步骤2，确认左右桥臂各开关管对应的三角载波信号：
令高压管中开关器件S1x、S1x'、S2x、S2x'对应载波C5，左桥臂的高频管中开关器件S3L/S3L'、S4L/S4L'分别对应载波C1、C2，右桥臂的高频管中开关器件S3R/S3R'、S4R/S4R'分别对应载波C3、C4；
令五个载波C1、C2、C3、C4、C5的周期为Ts，对应的周期寄存器值为N且为三角载波，载波C1为基础载波，载波C2滞后基础载波Ts/2，载波C3滞后基础载波Ts/4，载波C4超前基础载波Ts/4，载波C5滞后基础载波Td，Td为死区时间；
则载波C1、C2、C3、C4、C5生成方式为连续增减计数模式；载波C1、C2、C3、C4、C5的计数相位值分别为0、N、N/2、N/2、Td*N*2/Ts；
步骤3，将高压管调制波Ux及高频管调制波Urefx分别与对应的三角载波比较后，输出最终的PWM驱动信号给H桥五电平有源中点钳位逆变器。
2.根据权利要求1所述的一种H桥五电平有源中点钳位逆变器的死区效应抑制方法，其特征在于，所述的步骤1的具体过程如下：
步骤1.1，设逆变器输出相参考电压为Uo，则由如下公式可得到左、右桥臂对母线中点的参考电压UoL、UoR：
Figure FDA0002958953980000031
对应的高频管S3x/S4x的调制波由如下公式得到：
Figure FDA0002958953980000032
步骤1.2，由如下公式计算高压管S1x的调制波：
Figure FDA0002958953980000033
3.根据权利要求1所述的一种H桥五电平有源中点钳位逆变器的死区效应抑制方法，其特征在于，所述的步骤3的具体过程如下：
当基础载波C1的载波计数值为0时，更新载波C1、C2、C3、C4对应的比较寄存器值，用于生成高频管的驱动信号，将比较寄存器的值与载波比较得到高频管的PWM脉冲；
当载波C5的载波计数值为0时，更新载波C5对应的比较寄存器值，用于生成高压管的驱动信号，比较寄存器的值与载波比较得到高压管的PWM脉冲；
其中当比较寄存器的值大于载波时对应开关管的控制信号为低电平，开关管导通，反之，输出高电平，开关管关断。
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