CN113037121A - 基于h桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法，逆变电路包括至少两层相互嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。本发明外层H桥结构的输出作为相邻内层H桥的输入，内层H桥结构的输出频率比外层H桥输出频率增加一倍，N层H桥结构的输出频率是单层H桥结构输出频率的N倍。本发明采用多个H桥逆变器嵌套结构，通过低频脉冲信号移相控制，实现了逆变器嵌套输出高频波，解决了低载波比条件下输出高频波的关键问题，且具有控制方法简单、成本低、效率高等优点。

Description

基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子逆变器拓扑结构及控制的技术领域，尤其涉及一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，在中压大功率变流器的高性能控制、无线电能传输、通信技术等领域中，对高压大功率高频变换器的需求日益强烈。但受到半导体器件开关性能的限制，高压大功率和高频输出这两个要求之间存在矛盾，无法同时满足。因而，在低载波比条件下输出高频波成为解决问题的关键。

在风电变流器领域，随着风力发电技术逐渐由陆上向海上发展，其发电机的单机容量开始由低压（690V）中功率（2-3MW）向中压（3300V）大功率（5-10MW）发展。在中压大功率风力发电系统中，特别是海上风力发电系统中，永磁同步发电机因具有容量大、效率高、电网适应能力强等优点而逐渐替代双馈发电机成为主流机型。无论是低速永磁直驱风力发电系统，还是中速永磁半直驱风力发电系统，其“背靠背”变流器都是风力发电系统能量转换的核心。对于5-10MW功率等级的中压大功率风电变流器而言，其器件开关频率常常要求在1kHz以内，这给变流器的控制带来诸多困难。特别地，对于半直驱风力发电系统而言，其发电机运行频率较高，而变流器开关频率较低，导致存在采样比较低的问题，这进一步增加了中压大功率变流器的控制难度。为了实现大功率变流器的低开关频率控制，上海大学宋文祥教授等提出了一种模型预测磁链轨迹跟踪控制方法和一种低开关损耗模型预测直接转矩控制方法。然而，此类基于模型预测控制的方法存在诸多问题，例如，控制精度不高，采样比降低，这会恶化传统低开关频率模型预测控制的动稳态性能，并影响其稳定性。

在无线电能传输领域，如何实现高效率、大功率、远距离传输成为一个难题，无论是磁谐振耦合式还是电磁辐射式都无法突破这一难题。解决这一难题的技术路线之一就是提升传输频率，使用高频率信号控制。现有高频率开关器件价格昂贵，导致高频逆变器成本高昂。开关器件的频率总有极限，在此极限下能够输出更高频率的信号具有重要的研究价值。

发明内容

针对现有低开关频率控制方法控制精度不高，采样比降低，稳定下滑的技术问题，本发明提出一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路及控制方法，通过相互嵌套的H桥结构，实现了在低频率控制信号下输出高频率波的方法，且控制精度高，灵活性高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，包括至少两层相互嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。

优选地，所述H桥结构包括最外层H桥结构和最内层H桥结构，最外层H桥结构的输入端连接直流电源，最外层H桥结构的输出端通过相邻内层H桥结构与最内层H桥结构的输入端相连接，最内层H桥结构的输出端连接负载。优选地，所述每层H桥结构中的开关模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块和第四开关模块，第一开关模块分别与第二开关模块、第三开关模块相连接，第二开关模块、第三开关模块均与第四开关模块相连接。

优选地，所述H桥结构的输入端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第三开关模块之间、第二开关模块和第四开关模块之间；所述H桥结构的输出端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第二开关模块之间、第三开关模块和第四开关模块之间，实现相邻H桥结构的连接及与直流电源和负载的有效连接。

优选地，所述每层H桥结构中第一开关模块和第四开关模块采用相同的第一脉冲控制信号、第二开关模块和第三开关模块采用相同的第二脉冲控制信号，第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号互补导通。

其控制方法为：相互嵌套的H桥结构的外层H桥结构的脉冲控制信号超前（或滞后）于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号，且超前（或滞后）角度取决于嵌套层数N。

所述嵌套层数N = 2时，外层H桥结构的脉冲控制信号超前（或滞后）于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号角度为90°。

所述嵌套层数N = 3时，外层H桥结构的脉冲控制信号超前（或滞后）于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号角度为120°。

N层H桥结构嵌套后的输出频率为单层H桥结构输出频率的N倍。当嵌套层数N = 2时，每一周期的工作过程为：

（1）在0°~90°时，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相反；

（2）在90°~180°时，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相同；

（3）在180°~270°时，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相反；

（4）在270°~360°时，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果：电路结构由N个H桥结构嵌套组合而成，每个H桥结构由四个可双向导通的开关模块组成，且每个开关模块中的开关管的控制频率相同；外层H桥结构的输出作为相邻内层H桥的输入，对每个开关管施加不同相位的脉冲信号，则内层H桥结构的输出频率比外层H桥输出频率增加一倍，N层H桥结构的输出频率是单层H桥结构输出频率的N倍。本发明采用多个H桥逆变器嵌套结构，通过低频脉冲信号移相控制，实现了逆变器嵌套输出高频波，解决了低载波比条件下输出高频波这一关键问题，且具有控制方法简单、成本低、效率高等优点。本发明在大功率低开关频率电机驱动、无线电能传输和通信等领域具有广阔的应用空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例1的结构图。

图2为本发明实施例2的结构图。

图3为图2的脉冲控制信号时序图。

图4为本发明实施例3的仿真模型框图。

图5为图4中负载的波形图，其中，（a）为电压波形，（b）为电流波形。

图6为图4中负载的电流傅里叶频谱图。

具体实施方式

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付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。

实施例1，如图1所示，一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，包括至少两层嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。嵌套之后，外层H桥的输出作为内层H桥的输入，由于外层H桥输出波形有正有负，通过移相控制，使得在外层输出的半个周期内，内层输出波形的极性发生翻转，从而达到频率升高的效果。开关频率相同都保持在较低的频率，但是系统输出频率升高，从而达到了以较低的开关频率获得较高的输出频率之效果，降低了载波比。

优选地，所述H桥结构包括最外层H桥结构和最内层H桥结构，最外层H桥结构的输入端连接直流电源，最外层H桥结构的输出端通过相邻内层H桥结构与最内层H桥结构的输入端相连接，最内层H桥结构的输出端连接负载。内层H桥结构可以根据情况设置多层。每个开关管保持在较低的开关频率，利用移相控制使得不同的开关模块导通或关断，从而使嵌套结构的流通路径发生变化，实现负载上电压和电流极性翻转，系统输出频率成倍提升。对照嵌套结构，流通路径的变化可以从各个开关模块导通与关断的状态分析出来。

优选地，所述每层H桥结构中的开关模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块和第四开关模块，第一开关模块分别与第二开关模块、第三开关模块相连接，第二开关模块、第三开关模块均与第四开关模块相连接，从而组成结构为H形的桥式电路结构。

优选地，所述H桥结构的输入端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第三开关模块之间、第二开关模块和第四开关模块之间；所述H桥结构的输出端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第二开关模块之间、第三开关模块和第四开关模块之间，实现相邻H桥结构的连接及与直流电源和负载的有效连接。

其控制方法为：所述每层H桥结构中第一开关模块和第四开关模块采用相同的第一脉冲控制信号、第二开关模块和第三开关模块采用相同的第二脉冲控制信号，第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号互补导通。第一四开关模块、第二三开关模块采用相同的脉冲控制信号，可实现H桥对角线管子同时导通或关断。第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号互补，可避免桥臂直通。

优选地，相互嵌套的H桥结构的外层H桥结构的脉冲控制信号超前（或滞后）于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号，可实现极性翻转，从而提高输出频率，且超前（或滞后）角度取决于嵌套层数N。

N层H桥结构嵌套后的输出频率为单层H桥结构输出频率的N倍。以PWM波形为例，每增加一层嵌套，360电角度内极性翻转次数增加一倍，因而频率增加一倍，所以N层嵌套结构输出频率为单层的N倍。

实施例2，一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，本实施例以两层H桥结构为例来分析本发明提出的一种基于H桥结构实现在低开关频率条件下输出高频控制信号的方法，开关管S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄为外层H桥结构的开关模块的四个开关管，开关管S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄为内层H桥结构的开关模块的四个开关管。所有开关模块的开关频率相同且具有双向导通性，双向导通开关保证了在电流通路反向时，电流能突破单个开关管半导体PN结单向导通的限制，仍然能让电路反向流通。两层嵌套逆变器结构如图2所示。

开关管S₁₁~S₁₄、S₂₁~S₂₄的开关控制信号如图3所示，即外层H桥结构的脉冲控制信号超前于内层H桥结构的脉冲控制信号的角度为90°，即开关管S₂₁~S₂₄的脉冲控制信号相对应滞后于开关管S₁₁~S₁₄的脉冲控制信号的角度为90°，且开关管S₁₁和S₁₄的脉冲控制信号相同，开关管S₁₂和S₁₃的脉冲控制信号相同，由图3可以看出，开关管S₁₁、S₁₄与开关管S₁₂、S₁₃是互补的脉冲控制信号，开关管S₂₁、S₂₄和开关管S₂₂、S₂₃是互补的脉冲控制信号，开关管S₂₁、S₂₄的脉冲信号在开关管S₁₁、S₁₄的脉冲信号的基础上延迟角度为90°。根据图3的信号时序图和图2的结构图来分析其工作过程：

（1）在0°~90°时，开关管S₁₁、S₁₄、S₂₂、S₂₃导通，开关管S₁₂、S₁₃、S₂₁、S₂₄关断，则负载两端的电压V _o 与正方向相反。从最外层H桥来说的，90°就是四分之一周期。因为它的输出频率最低，相当于输出的是基波频率，所有倍频都是相对基频来说的，在考察一个周期内导通路径的时候也要按照基波电角度的状态来逐个分析。所有开关管都是按照基波频率导通或关断的，因此其门极脉冲的时序周期也对应着最外层输出的基波频率，是一个比较低的频率。

（2）在90°~180°时，开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁、S₂₄导通，开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂、S₂₃关断，则V _o 与正方向相同；

（3）在180°~270°时，开关管S₁₂、S₁₃、S₂₁、S₂₄导通，S₁₁、S₁₄、S₂₂、S₂₃关断，则V _o 与正方向相反；

（4）在270°~360°时，开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂、S₂₃导通，S₁₁、S₁₄、S₂₁、S₂₄关断，则V _o 与正方向相同。

正方向是图中标出的负载R _L 上电压的参考正方向。上面四种情况合起来构成一个完整的基波电周期，V _o 极性变化情况为“负-正-负-正”，即交变两次，也就是说，在一个周期内V _o 交变两次，因此其频率变为原来的两倍。

由上述分析可见，内层H桥结构、外层H桥结构的脉冲控制信号与单层H桥结构的脉冲控制信号的频率相同，负载两端的输出电压V _o 的输出频率是单层H桥结构输出频率的二倍，验证了本发明所提出的方法。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，所述嵌套层数N = 3时，外层H桥结构的脉冲控制信号超前（或滞后）于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号角度为120°。其他结构和控制方法与实施例2相同。

为验证本发明所提出的方法，根据此原理搭建电路模型，进行仿真，在不改变开关频率的条件下以三层H桥结构进行仿真，仿真图如图4所示。图4中基波频率为50Hz，直流电源V _dc 取1200V，用A、B、C分别表示三层H桥逆变器，每层脉冲控制信号依次延迟120°和240°。开关模块A1、A4和开关模块A2、A3互补，开关模块B1、B4和开关模块B2、B3互补，开关模块C1、C4和开关模块C2、C3互补，负载电压V _o 和负载电流I _o 的仿真结果如图5所示。负载电流I _o 的傅里叶频谱分析结果如图6所示。图5是波形，从横轴时间刻度可以读出一个周期的时间，可推算出其频率。图6更加直观地直接给出了电流的频谱，可以看出150Hz（即基波频率的3倍）含量最高，其余频率含量几乎可以忽略不计，说明本发明所提出的结构和控制方法能够把基波频率提高3倍。

由以上分析可以看到，在不改变开关频率的条件下根据三层H桥嵌套方式搭建仿真电路，输出的复杂电压、负载电流频率为150Hz，是基波频率的三倍，根据此原理可以构建不同层次的H桥结构电路，从而得到不同倍数的频率。

本发明的结构具有很高的灵活性，可以根据需要的输出频率去搭建不同层次的H桥电路，并且不需要改变输入开关频率的大小。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，其特征在于，包括至少两层相互嵌套的H桥结构，每层H桥结构包括四个双向导通的开关模块，每层H桥结构的开关模块的开关管的开关频率相同。

2.根据权利要求1所述的基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，其特征在于，所述H桥结构包括最外层H桥结构和最内层H桥结构，最外层H桥结构的输入端连接直流电源，最外层H桥结构的输出端通过相邻内层H桥结构与最内层H桥结构的输入端相连接，最内层H桥结构的输出端连接负载。

3.根据权利要求1或2所述的基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，其特征在于，所述每层H桥结构中的开关模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块和第四开关模块，第一开关模块分别与第二开关模块、第三开关模块相连接，第二开关模块、第三开关模块均与第四开关模块相连接。

4.根据权利要求3所述的基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，其特征在于，所述H桥结构的输入端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第三开关模块之间、第二开关模块和第四开关模块之间；所述H桥结构的输出端的两个连接端分别设置在第一开关模块和第二开关模块之间、第三开关模块和第四开关模块之间。

5.根据权利要求4所述的基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路，其特征在于，所述每层H桥结构中第一开关模块和第四开关模块采用相同的第一脉冲控制信号、第二开关模块和第三开关模块采用相同的第二脉冲控制信号，第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号互补导通。

6.根据权利要求1或5所述的基于H桥的低载波比模块化的扩频逆变电路的控制方法，其特征在于，相互嵌套的H桥结构的外层H桥结构的脉冲控制信号超前或滞后于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号，且超前或滞后角度取决于嵌套层数N。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述嵌套层数N = 2时，外层H桥结构的脉冲控制信号超前或滞后于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号角度为90°。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述嵌套层数N = 3时，外层H桥结构的脉冲控制信号超前或滞后于相邻内层H桥结构的脉冲控制信号角度为120°。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，N层H桥结构嵌套后的输出频率为单层H桥结构输出频率的N倍。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，每一周期的工作过程为：

（1）在0°~90°时，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相反；

（2）在90°~180°时，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相同；

（3）在180°~270°时，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相反；

（4）在270°~360°时，最外层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块、最内层H桥结构的第二开关模块及第三开关模块的开关管导通，最外层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块、最内层H桥结构的第一开关模块及第四开关模块的开关管关断，则输出端的输出电压与正方向相同。

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