CN113328648A - 一种逆变器pwm调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器PWM调制方法及装置，该方法包括：产生参考电流信号i_r，获取输出电流信号i_s，比较参考电流信号i_r与输出电流信号i_s的大小，并计算占空比信号u_c；利用占空比信号u_c和参考电流信号i_r，计算载波频率f_t；基于载波频率f_t，生成载波信号u_t；根据生成的载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信号给逆变器。

Description

一种逆变器PWM调制方法及装置

技术领域

本发明涉及逆变器调制技术领域技术领域，特别地涉及一种载波 频率自适应的逆变器PWM调制方法及装置。

背景技术

现有的逆变器调制方法常常利用控制电感电流反向来实现开关器 件的零电压开通是一种常见的方法，但是该方法通常都需要实时检测 开关器件的电感电流。对于高频逆变器来说，实时检测电感电流非常 困难，通常只能采用模拟电路来实现，这在复杂的电机驱动控制应用 中很难实现，并增大开关器件的损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种载波频率自适应的逆变器PWM调制 方法及装置。

本发明第一方面提供一种逆变器PWM调制方法，该方法包括以 下步骤：产生参考电流信号i_r，获取输出电流信号i_s，比较参考电流信 号i_r与输出电流信号i_s的大小，并计算占空比信号u_c；利用占空比信 号u_c和参考电流信号i_r，计算载波频率f_t；基于载波频率f_t，生成载波 信号u_t；根据生成的载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号， 并输出PWM信号给逆变器。

其中，所述参考电流信号i_r为逆变器输出电流信号i_s的参考值。

其中，所述载波频率f_t的计算方法为：构建占空比信号u_c、参考 电流i_r与载波频率f_t的关系表达式；基于交流输出电压u_ac与桥臂电压 u₂的关系，计算出交流输出电压u_ac；将得到的交流输出电压u_ac代入到 占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式中，计算出载波频率f_t。

进一步地，所述占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式为：

2f_tL(i_r-I_m)＝u_c(V_dc-u_ac)

其中，f_t为载波频率；L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信 号的下限值；u_c为占空比；V_dc为电压；u_ac为交流输出电压。

进一步地，所述交流输出电压u_ac的计算方法为：

u_ac＝2u_cV_dc-V_dc

其中，u_c为占空比；V_dc为电压。

进一步地，所述载波频率f_t的计算方法为：

其中，L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信号的下限值；u_c为占空比；V_dc为电压；u_ac为交流输出电压。

本发明第二方面提供一种逆变器PWM调制装置，该装置包括： 电流控制单元、频率设定单元、载波生成单元及PWM调制单元，电流 控制单元用于比较参考电流信号i_r与输出电流信号i_s的大小，并计算占 空比信号u_c；频率设定单元用于接收电流控制单元产生的占空比信号 u_c以及设定的参考电流信号i_r，利用占空比信号u_c和参考电流信号i_r， 计算载波频率f_t；载波生成单元用于接收频率设定单元计算得到的载波 频率f_t，基于载波频率f_t，生成载波信号u_t；PWM调制单元用于接收 电流控制单元产生的占空比信号u_c和载波生成单元生成的载波信号u_t， 根据载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信 号给逆变器。

上述的逆变器PWM调制方法及装置，通过电流控制单元比较参 考电流信号i_r和输出电流信号i_s的大小，并计算产生占空比信号u_c， 经由频率设定单元和载波生成单元生成载波信号u_t，PWM调制单元基 于载波信号u_t将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信号控制逆变器，可实现在不同负载和输出电压下均可实现开关器件的零 电压开通(ZVS)，从而减少开关损耗，提高效率。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特 别是参考附图来描述本发明，其中：

图1是本申请实施例一公开的逆变器PWM调制装置的结构示意 图；

图2是半桥逆变器电路的电路图；

图3(a)和图3(b)是逆变器的典型工作波形图；

图4是T型三电平逆变器的电路图；

图5是本申请实施例一公开的逆变器PWM调制方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结 合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲 突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，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做出创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发 明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说 明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于 限制本发明。

实施例一

图1是本申请实施一公开的载波频率自适应的逆变器PWM调制 装置的结构示意图。如图1所示，该逆变器PWM调制装置包括电流控 制单元101、PWM调制单元102、频率设定单元103和载波生成单元 104。

其中，电流控制单元101的输入端分别连接信号检测装置和参考 信号产生单元105，输出端分别连接PWM调制单元103和频率设定单 元104，用于接收信号检测装置检测到的开关器件的输出电流信号i_s以及参考信号产生单元105所产生的参考电流信号i_r，比较参考电流信 号i_r和输出电流信号i_s的大小，并计算占空比信号u_c，并将得到的占 空比信号u_c分别输出给PWM调制单元103和频率设定单元104。

在本实施例中，通过信号检测装置来检测开关器件的输出电流信 号i_s，无需实时检测电感电流信号。

进一步地，参考信号产生单元105获取逆变器实际需要输出的电 流，并将逆变器实际需要输出的电流的平均值设定为参考电流信号i_r。

其中，频率设定单元103的输入端分别连接电流控制单元101和 参考信号设定单元105，输出端连接载波生成单元104，用于接收电流 控制单元101产生的占空比信号u_c以及参考信号设定单元105所设定 的参考电流信号i_r，根据设定的参考电流信号i_r和产生的占空比信号 u_c，计算出能够实现开关器件的零电压开通的载波频率f_t，并输出给载 波生成单元104。

其中，载波生成单元104的输入端连接频率设定单元103，输出 端连接载波生成单元104，用于接收频率设定单元103产生的载波频率 f_t，并根据接收到的载波频率f_t，生成载波信号u_t，并将生成的载波信 号u_t输出给PWM调制单元103。其中，载波信号包括固定频率的三角 波信号、锯齿波信号等。

其中，PWM调制单元102的输入端分别连接电流控制单元101和 载波生成单元104，输出端连接逆变器，用于接收电流控制单元101产 生的占空比信号u_c以及载波生成单元104生成的载波信号u_t，根据载 波信号u_t将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出给逆变器。

上述的逆变器PWM调制装置，通过电流控制单元101比较参考 电流信号i_r和输出电流信号i_s的大小，并计算产生占空比信号u_c，经 由频率设定单元103和载波生成单元104生成载波信号u_t，PWM调制 单元103基于载波信号u_t将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信号控制逆变器。

在本实施例方式中，电流控制单元101根据输入的输出电流信号 i_s以及设定的参考电流信号i_r的大小，采用控制算法计算占空比信号u_c， 该占空比信号u_c为PWM调制信号的基础。

电流控制单元101能够根据参考电流信号i_r与输出电流信号i_s的 误差，采用比例比例积分算法(PI调节)动态调节占空比u_c，最终是 输出电流跟踪电流参考。该电流控制单元101可采用PI控制器，能够 根据电流参考信号与实际电流信号来产生占空比u_c。

上述的电流控制单元101计算占空比信号u_c的具体实现方法为：

采集逆变器的桥壁电压信号u₂，并计算桥壁电压信号u₂输出的高 电平信号V_dc在一个开关周期内的时间占比，得到占空比信号u_c。

在本实施例方式中，频率设定单元103进行频率设定的依据是电 感电流纹波过零。下面以一个半桥电路为例，说明频率设定单元103 计算载波频率f_t的具体实现过程为：

如图2，逆变器的输入是左侧直流电压源，假设电压等于2V_dc，逆 变器具有2个开关管Q₁和Q₂，通过PWM控制产生的桥臂电压u₂为占 空比变化的方波信号，再通过滤波之后得到输出的交流电压u_ac。

上述的逆变器的典型工作波形如图3(a)和图3(b)所示，其中 图3(a)画出了u_ac与V_dc之间的关系，如果把t₁时刻的波形放大，则 如图3(b)所示，其中，u_ac在很短时间内保持不变，可看做恒定值。 增加的两个波形：桥臂电压u₂是方波电压信号，电感电流i_L是三角波 信号，I_m是i_L的下限值，需要保持一个负值，用于实现开关器件的零 电压开通。i_L的平均值是逆变器实际需要输出的电流，当控制器工作正 常是i_L的平均值等于i_r，因此将i_r作为参考电流信号。

u₂是一个周期性的方波信号，高电平是V_dc，低电平是-V_dc，一个 高电平和一个低电平组成一个开关周期。u₂中输出V_dc在一个开关周期 内的时间占比为就是图1中的控制信号u_c，通常称为占空比信号u_c， 开关周期的倒数是载波频率f_t。可以根据图3(b)，得到占空比信号 u_c、电流参考i_r与载波频率f_t的关系表达式如下：

2f_tL(i_r-I_m)＝u_c(V_dc-u_ac)

其中，f_t为载波频率；L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信 号的下限值；V_dc为电压。

而u_ac是u₂的平均值：

u_ac＝2u_cV_dc-V_dc

其中，u_c为占空比信号；V_dc为电压。

将u_ac的表达式带入到占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式 中，得到载波频率f_t为：

其中，L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信号的下限值；V_dc为电压。

由于式中I_m是设定值，V_dc保持不变，电感L保持不变。因此，根 据i_r和u_c，就可以确定载波频率f_t，从而进行自适应的给定。

该计算方法同样也可以用于三电平逆变器，如图4所示的T型三 电平桥臂，其中三电平桥臂还可以组成三相逆变器。

本申请提出的逆变器PWM调制装置，改进载波产生方式，通过 频率设定单元103利用给定的参考电流信号i_r和产生的占空比u_c计算 出能够实现开关器件的零电压开通的载波频率f_t，再通过载波生成单元 104产生载波信号u_t，最后通过PWM调制单元102基于生成的载波信 号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，可利用生成的PWM信号调 制逆变器。

本申请提出的逆变器PWM调制装置，在不同负载和输出电压下 均可实现开关器件的零电压开通，从而减少开关损耗，提高效率。这 种方法的特点是不需要实时检测电感电流瞬时值，通过PWM调制信号 计算方法来自适应的选择载波频率，并且该计算方法实现简单，尤其 适合数字控制和基于SiC或者GaN器件的极高频逆变器。

实施例二

图5是本申请实施二公开的载波频率自适应的逆变器PWM调制 方法的流程图。

在本实施例中，所述逆变器PWM调制方法可以应用于上述的逆 变器PWM调制装置中，可以直接在上述的逆变器PWM调制装置上集 成本申请的方法所提供的用于逆变器PWM调制的功能。

如图5所示，所述逆变器PWM调制方法具体包括以下步骤，根 据不同的需求，该流程图中步骤的顺序可以改变，某些步骤可以省略。

步骤S1、所述逆变器PWM调制装置接收输出电流信号i_s以及参 考电流信号i_r，比较参考电流信号i_r和输出电流信号i_s的大小，并计算 占空比信号u_c。

在本实施例中，通过信号检测装置来检测开关器件的输出电流信 号i_s，无需实时检测电感电流信号。

所述逆变器PWM调制装置接收信号检测装置输入的输出电流信 号i_s，并将逆变器实际需要输出的电流的平均值设定为参考电流信号i_r， 比较参考电流信号i_r和输出电流信号i_s的大小，根据输入的输出电流信 号i_s以及设定的参考电流信号i_r的大小，采用控制算法计算占空比信号 u_c，该占空比信号u_c为PWM调制信号的基础。

所述逆变器PWM调制装置计算占空比信号u_c的具体实现方法为：

采集逆变器的桥壁电压信号u₂，并计算桥壁电压信号u₂输出的高 电平信号V_dc在一个开关周期内的时间占比，得到占空比信号u_c。

步骤S2、所述逆变器PWM调制装置利用占空比信号u_c和参考电 流信号i_r，计算出能够实现开关器件的零电压开通的载波频率f_t。

所述逆变器PWM调制装置计算载波频率f_t的具体实现方法为：

获取占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式，其中占空比信号 u_c、电流参考i_r与载波频率f_t的关系表达式如下：

2f_tL(i_r-I_m)＝u_c(V_dc-u_ac)

其中，f_t为载波频率；L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信 号的下限值；V_dc为电压；u_ac为交流输出电压。

基于交流输出电压u_ac与桥臂电压u₂的关系表达式，计算出交流 输出电压u_ac。其中，u_ac是u₂的平均值，其计算公式为：

u_ac＝2u_cV_dc-V_dc

其中，u_c为占空比信号；V_dc为电压。

将得到的交流输出电压u_ac带入到占空比信号u_c与载波频率f_t的关 系表达式中，得到载波频率f_t为：

其中，L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信号的下限值；V_dc为电压。

由于式中I_m是设定值，V_dc保持不变，电感L保持不变。因此，根 据i_r和u_c，就可以确定载波频率f_t，从而进行自适应的给定。

步骤S3、所述逆变器PWM调制装置利用载波频率f_t，生成载波 信号u_t。

步骤S4、所述逆变器PWM调制装置根据生成的载波信号u_t，将 占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出给逆变器。

上述的逆变器PWM调制方法，首先，比较参考电流信号i_r和输 出电流信号i_s的大小，并计算产生占空比信号u_c，并根据参考电流信 号i_r和占空比信号u_c，计算出载波频率f_t，并利用载波频率f_t生成载波 信号u_t，最后，基于载波信号u_t将占空比信号u_c调制成PWM信号， 并输出PWM信号控制逆变器。

本申请提出的逆变器PWM调制方法，改进载波产生方式，利用 给定的参考电流信号i_r和产生的占空比u_c计算出能够实现开关器件的 零电压开通的载波频率f_t，再利用载波频率f_t产生载波信号u_t，最后基 于生成的载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，可利用生 成的PWM信号调制逆变器。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域 技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种 各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内 所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种逆变器PWM调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

产生参考电流信号i_r，获取输出电流信号i_s，比较参考电流信号i_r与输出电流信号i_s的大小，并计算占空比信号u_c；

利用占空比信号u_c和参考电流信号i_r，计算载波频率f_t；

基于载波频率f_t，生成载波信号u_t；

根据生成的载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信号给逆变器。

2.根据权利要求1所述的逆变器PWM调制方法，其特征在于，

所述参考电流信号i_r为逆变器输出电流信号i_s的参考值。

3.根据权利要求1所述的逆变器PWM调制方法，其特征在于，所述载波频率f_t的计算方法为：

构建占空比信号u_c、参考电流i_r与载波频率f_t的关系表达式；

基于交流输出电压u_ac与桥臂电压u₂的关系，计算出交流输出电压u_ac；

将得到的交流输出电压u_ac代入到占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式中，计算出载波频率f_t。

4.根据权利要求3所述的逆变器PWM调制方法，其特征在于，所述占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式为：

2f_tL(i_r-I_m)＝u_c(V_dc-u_ac)

其中，f_t为载波频率；L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信号的下限值；u_c为占空比；V_dc为电压；u_ac为交流输出电压。

5.根据权利要求3所述的逆变器PWM调制方法，其特征在于，所述交流输出电压u_ac的计算方法为：

u_ac＝2u_cV_dc-V_dc

其中，u_c为占空比；V_dc为电压。

6.根据权利要求1所述的逆变器PWM调制方法，其特征在于，所述载波频率f_t的计算方法为：

其中，L为电感；i_r为参考电流信号；I_m为电流信号的下限值；u_c为占空比；V_dc为电压；u_ac为交流输出电压。

7.一种逆变器PWM调制装置，其特征在于，包括：

电流控制单元，用于比较参考电流信号i_r与输出电流信号i_s的大小，并计算占空比信号u_c；

频率设定单元，用于接收电流控制单元产生的占空比信号u_c以及设定的参考电流信号i_r，利用占空比信号u_c和参考电流信号i_r，计算载波频率f_t；

载波生成单元，用于接收频率设定单元计算得到的载波频率f_t，基于载波频率f_t，生成载波信号u_t；

PWM调制单元，用于接收电流控制单元产生的占空比信号u_c和载波生成单元生成的载波信号u_t，根据载波信号u_t，将占空比信号u_c调制成PWM信号，并输出PWM信号给逆变器。

8.根据权利要求7所述的逆变器PWM调制装置，其特征在于，所述频率设定单元计算的载波频率f_t的方法为：

构建占空比信号u_c、电流参考i_r与载波频率f_t的关系表达式；

基于交流输出电压u_ac与桥臂电压u₂的关系表达式，计算出交流输出电压u_ac；

将得到的交流输出电压u_ac带入到占空比信号u_c与载波频率f_t的关系表达式中，计算出载波频率f_t。

Images