CN113938041B - 高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器冗余驱动脉冲剔除调制 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器主电路的输出电流通过二阶巴特沃斯低通滤波器，滤除高频电流谐波，得到滤波后的电流；滤波后的电流和调制波输入域划分模块，获得区间号。同时，上、中、下载波和调制波输入原始驱动脉冲产生模块，获得六路原始驱动信号，并输入到冗余脉冲剔除模块，获得六路剔除冗余脉冲的驱动信号。本发明的高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，不需要加入死区，可以完全避免死区效应，降低了输出电流谐波、减小了驱动电路的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法。
背景技术
相比传统两电平和三电平逆变器，四电平半桥逆变器输出电压的电平数目更多，能够提高输出电能质量。并且，随着电平数量的增加，电压应力和电压变化率减小，在高压大功率电机驱动等应用场合，能够有效防止电机转子绕组绝缘击穿、改善电磁干扰特性。此外，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，SiCMOSFET)的开关速度极快，能够使四电平半桥逆变器工作在更高的开关频率，为减小无源滤波器、提高逆变器效率和功率密度提供了可能。
通常，为防止高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器发生直通短路，在传统调制方法中需要采用开通延时加入死区。尽管采用高频SiCMOSFET死区时间可以设置地很短，在高开关频率下死区影响仍然会非常严重，增加了输出电流谐波、降低了逆变器的性能。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，不需要加入死区，可以完全避免死区效应，降低了输出电流谐波、减小了驱动电路的损耗。
本发明是以如下技术方案实现的：一种高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器主电路的输出电流i输入低通滤波器，得到滤波后的电流i*，滤波后的电流i*和调制波M输入域划分模块，获得区间号Q，同时，上载波C1、中载波C2、下载波C3和调制波M输入原始驱动脉冲产生模块，获得六路原始驱动信号S1、S2、S3、S4、S5、S6，并输入到冗余脉冲剔除模块，获得六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *；六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *分别用于驱动六只高频SiCMOSFETT1、T2、T3、T4、T5、T6。
优选的，所述低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，
二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除输出电流i的高频谐波，获得滤波后的电流i*，传递函数：
优选的，域划分模块具体执行过程如下：
输入滤波后的电流i*、调制波M，获得区间号Q，判断i*>0、M>100、M>-100的结果，根据判断的结果依次获得如下不同的区间号Q：
1)当i*>0为假“N”且M>100为真“Y”，则Q＝1；
2)当i*>0为真“Y”且M>100为真“Y”，则Q＝2；
3)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝3；
4)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝4；
5)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝5；
6)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝6。
优选的，原始驱动脉冲产生模块具体执行过程如下：
1)上载波C1与调制波M比较生成高低电平变化的S1，S1取反生成S2；
2)中载波C2与调制波M比较生成高低电平变化的S3，S3取反生成S4；
3)下载波C3与调制波M比较生成高低电平变化的S5，S5取反生成S6。
优选的，上载波C1、中载波C2、下载波C3的频率均为100kHz，调制波M为频率50Hz、幅值可变的正弦波；上载波C1的幅值为100V至300V，中载波C2的幅值为-100V至100V，下载波C3的幅值为-300V至-100V。
优选的，冗余驱动脉冲剔除模块根据不同的区间号Q去除冗余驱动脉冲，具体执行过程如下：
1)若Q＝1，则剔除冗余驱动脉冲，令S1 *＝0；否则，S1 *＝S1；
2)若Q＝2，则剔除冗余驱动脉冲，令S2 *＝0；否则，S2 *＝S2；
3)若Q＝3，则剔除冗余驱动脉冲，令S3 *＝0；否则，S3 *＝S3；
4)若Q＝4，则剔除冗余驱动脉冲，令S4 *＝0；否则，S4 *＝S4；
5)若Q＝5，则剔除冗余驱动脉冲，令S5 *＝0；否则，S5 *＝S5；
6)若Q＝6，则剔除冗余驱动脉冲，令S6 *＝0；否则，S6 *＝S6。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
1)本发明的调制方法在传统调制方法的基础上剔除冗余驱动脉冲，互补驱动脉冲(S1 *和S2 *、S3 *和S4 *、S5 *和S6 *)之间不需要采用传统开通延时环节加入死区；
2)剔除的冗余脉冲不影响输出电压，可以完全避免高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的死区效应，不存在输出误差电压，降低了输出电流谐波；
3)剔除冗余驱动脉冲，能够有效减小驱动电路的损耗。
附图说明
图1为高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的整体控制框图；
图2为高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器主电路MC_block的结构图；
图3为二阶巴特沃斯低通滤波器BW_block的传递函数框图；
图4为区域划分模块QH_block的原理框图；
图5为原始脉冲产生模块OP_block的原理框图；
图6为冗余驱动脉冲剔除模块RP_block的原理框图；
图7为高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制原理图；
图8为采用传统含死区调制方法的输出电流波形图；
图9为采用本发明剔除冗余驱动脉冲的调制方法输出的电流波形图。
具体实施方式
为了更清楚地表达本发明的目的、技术方案和优势，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地表述。
参见图1，高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器的整体控制框图。图中，MC_block为高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器主电路；BW_block为二阶巴特沃斯低通滤波器；QH_block为区域划分模块；OP_block为原始驱动脉冲产生模块；RP_block为冗余脉冲剔除模块；i为输出电流；i*为滤波后的电流；Q为区间号；C1、C2、C3分别为上、中、下载波；M为调制波；S1、S2、S3、S4、S5、S6为六路原始驱动信号；S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *为六路剔除冗余脉冲的驱动信号。
继续参见图1，高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器主电路MC_block的输出电流i输入二阶巴特沃斯低通滤波器BW_block，得到滤波后的电流i*。滤波后的电流i*和调制波M输入域划分模块QH_block，获得区间号Q。同时，上、中、下载波C1、C2、C3和调制波M输入原始驱动脉冲产生模块OP_block，获得六路原始驱动信号S1、S2、S3、S4、S5、S6，并输入到冗余脉冲剔除模块RP_block，获得六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *。
参见图2，高频SiCMOSFET四电平半桥逆变器主电路MC_block的结构图。图中，V1、V2、V3为1号、2号、3号直流母线电源，电压数值分别为V1＝600V、V2＝200V、V3＝200V；Cdc1、Cdc2分别为上、下直流母线电容；CS为电流传感器；L为滤波电感；R为负载电阻；T1、T2、T3、T4、T5、T6为六只高频SiCMOSFET。
继续参见图2，1号直流母线电源V1正极、2号直流母线电源V2正极、上直流母线电容Cdc1正极、SiCMOSFET T1相互连接；1号直流母线电源V1负极、3号直流母线电源V3负极、下直流母线电容Cdc2负极、SiCMOSFET T6相互连接；上、下直流母线电容Cdc1、Cdc2串联连接，连接点与电流传感器CS、滤波电感L、负载电阻R依次串联；直流母线电源V2、SiCMOSFET T2、SiCMOSFET T3依次串联；直流母线电源V3、SiCMOSFET T4、SiCMOSFET T5依次串联；最后，SiCMOSFET T1、SiCMOSFET T3、负载电阻R、SiCMOSFET T5、SiCMOSFET T6连接在一起。需要说明的是，六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *分别用于驱动六只高频SiCMOSFETT1、T2、T3、T4、T5、T6。
参见图3，二阶巴特沃斯低通滤波器BW_block的传递函数框图。二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除输出电流i的高频谐波，获得滤波后的电流i*，传递函数如式(1)所示。
参见图4，区域划分模块QH_block的原理框图。输入滤波后的电流i*、调制波M，获得区间号Q。判断i*>0、M>100、M>-100的结果，根据判断的结果依次获得如下不同的区间号Q：
1)当i*>0为假“N”且M>100为真“Y”，则Q＝1；
2)当i*>0为真“Y”且M>100为真“Y”，则Q＝2；
3)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝3；
4)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝4；
5)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝5；
6)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝6。
参见图5，原始脉冲产生模块OP_block的原理框图。上、中、下载波C1、C2、C3和调制波M分别进行比较，获得六路原始驱动信号S1、S2、S3、S4、S5、S6。需要说明的是，上、中、下载波C1、C2、C3的频率均为100kHz，调制波M为频率50Hz、幅值可变的正弦波；上载波C1的幅值为100V至300V，中载波C2的幅值为-100V至100V，下载波C3的幅值为-300V至-100V。具体执行过程如下：
1)上载波C1与调制波M比较生成高低电平变化的S1，S1取反生成S2；
2)中载波C2与调制波M比较生成高低电平变化的S3，S3取反生成S4；
3)下载波C3与调制波M比较生成高低电平变化的S5，S5取反生成S6。
参见图6，冗余驱动脉冲剔除模块RP_block的原理框图。根据不同的区间号Q去除冗余驱动脉冲。具体执行过程如下：
1)若Q＝1，则剔除冗余驱动脉冲，令S1 *＝0；否则，S1 *＝S1；
2)若Q＝2，则剔除冗余驱动脉冲，令S2 *＝0；否则，S2 *＝S2；
3)若Q＝3，则剔除冗余驱动脉冲，令S3 *＝0；否则，S3 *＝S3；
4)若Q＝4，则剔除冗余驱动脉冲，令S4 *＝0；否则，S4 *＝S4；
5)若Q＝5，则剔除冗余驱动脉冲，令S5 *＝0；否则，S5 *＝S5；
6)若Q＝6，则剔除冗余驱动脉冲，令S6 *＝0；否则，S6 *＝S6。
参见图7，高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制原理图。图中，Rp为剔除的冗余驱动脉冲。详细展示了调制波M、滤波后的电流i*、上载波C1、中载波C2、下载波C3、六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *的波形。
为验证本发明的高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，采用Matlab/Simulink进行了仿真验证。具体的仿真参数为：1号直流母线电源V1为600V、2号直流母线电源V2为200V、3号直流母线电源V3为200V；滤波电感L为0.3mH、负载电阻R为10Ω；上、中、下载波C1、C2、C3的频率均为100kHz；调制波M为频率50Hz、幅值为200V；上载波C1的幅值为100V至300V，中载波C2的幅值为-100V至100V，下载波C3的幅值为-300V至-100V。
首先，采用传统含死区的调制方法作为对比，不剔除冗余驱动脉冲，死区时间设定为1μs，输出电流波形如图8所示。可见，输出电流波形在过零点处畸变严重，电流的总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion，THD)为6.53％。然后，采用本发明的剔除冗余驱动脉冲的调制方法，输出电流波形如图9所示。可见，输出电流波形正弦度显著提高，电流的总谐波畸变率THD为3.12％。仿真结果说明了本发明的高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法的有效性。
Claims (3)
1.一种高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，其特征在于：高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器主电路的输出电流i输入低通滤波器，得到滤波后的电流i*，滤波后的电流i*和调制波M输入域划分模块，获得区间号Q，同时，上载波C1、中载波C2、下载波C3和调制波M输入原始驱动脉冲产生模块，获得六路原始驱动信号S1、S2、S3、S4、S5、S6，并输入到冗余脉冲剔除模块，获得六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *；六路剔除冗余脉冲的驱动信号S1 *、S2 *、S3 *、S4 *、S5 *、S6 *分别用于驱动六只高频SiCMOSFET T1、T2、T3、T4、T5、T6；
域划分模块工作过程如下：
输入滤波后的电流i*、调制波M，获得区间号Q，判断i*>0、M>100、M>-100的结果，根据判断的结果依次获得如下不同的区间号Q：
1)当i*>0为假“N”且M>100为真“Y”，则Q＝1；
2)当i*>0为真“Y”且M>100为真“Y”，则Q＝2；
3)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝3；
4)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为真“Y”，则Q＝4；
5)当i*>0为假“N”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝5；
6)当i*>0为真“Y”且M>100为假“N”且M>-100为假“N”，则Q＝6；
原始驱动脉冲产生模块具体执行过程如下：
1)上载波C1与调制波M比较生成高低电平变化的S1，S1取反生成S2；
2)中载波C2与调制波M比较生成高低电平变化的S3，S3取反生成S4；
3)下载波C3与调制波M比较生成高低电平变化的S5，S5取反生成S6；
冗余驱动脉冲剔除模块根据不同的区间号Q去除冗余驱动脉冲，具体执行过程如下：
1)若Q＝1，则剔除冗余驱动脉冲，令S1 *＝0；否则，S1 *＝S1；
2)若Q＝2，则剔除冗余驱动脉冲，令S2 *＝0；否则，S2 *＝S2；
3)若Q＝3，则剔除冗余驱动脉冲，令S3 *＝0；否则，S3 *＝S3；
4)若Q＝4，则剔除冗余驱动脉冲，令S4 *＝0；否则，S4 *＝S4；
5)若Q＝5，则剔除冗余驱动脉冲，令S5 *＝0；否则，S5 *＝S5；
6)若Q＝6，则剔除冗余驱动脉冲，令S6 *＝0；否则，S6 *＝S6。
2.根据权利要求1所述的高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，其特征在于：所述低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，
二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除输出电流i的高频谐波，获得滤波后的电流i*，传递函数：
3.根据权利要求1所述的高频SiC MOSFET四电平半桥逆变器的冗余驱动脉冲剔除调制方法，其特征在于：上载波C1、中载波C2、下载波C3的频率均为100kHz，调制波M为频率50Hz、幅值可变的正弦波；上载波C1的幅值为100V至300V，中载波C2的幅值为-100V至100V，下载波C3的幅值为-300V至-100V。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113938041A (zh) | 2022-01-14 |
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