CN117691888B - 一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器，涉及脉宽调制领域，应用于逆变器，通过确定逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值与三相电流的相位角的对应关系，再根据对应关系确定载波的载波频率，其中，峰值与载波频率呈负相关，最终根据该载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。一方面降低了电磁干扰噪声，避免给电力电子装置带来严重的电磁兼容问题，提高了电力电子装置的可靠性；另一方面减少了半导体器件的开关损耗，同时降低了电力电子装置的损耗，提高了电力电子装置的可靠性。

Description

一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器

技术领域

本发明涉及脉宽调制领域，特别是涉及一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器。

背景技术

近年来，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体材料打破了电力电子技术发展的瓶颈，在众多领域得到了广泛的应用。基于宽禁带半导体材料制成的宽禁带半导体器件（如SiC MOSFET）在同等功率等级下具有更高的开关速度和开关频率，推动着电力电子装置向高频化、低碳化、轻量化方向发展。但是宽禁带半导体器件的开关速度的增加也带来了一些问题，一方面高速开关过程中会产生更高的电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt，这些含有丰富高次谐波分量的尖峰电压和浪涌电流与电力电子装置中的电路寄生电感和电容相互作用产生更高的电磁干扰（Electromagnetic Interference，电磁干扰）噪声，给电力电子装置带来了严重的电磁兼容问题，影响了电力电子装置的可靠性；另一方面宽禁带半导体器件的开关速度的增加将成倍地增加宽禁带半导体器件的开关损耗，电力电子装置的损耗将增大，温度将升高，功率密度和可靠性将降低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器，能够降低电磁干扰噪声，避免给电力电子装置带来严重的电磁兼容问题，提高了电力电子装置的可靠性，减少了半导体器件的开关损耗，同时降低了电力电子装置的损耗，提高了电力电子装置的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种不连续脉冲宽度调制方法，应用于逆变器，所述不连续脉冲宽度调制方法包括：

根据预设对应关系确定载波的载波频率，其中，所述预设对应关系为所述逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和所述三相电流的相位角之间的对应关系，所述峰值与所述载波频率呈负相关；

根据所述载波频率的载波及调制波生成所述逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。

可选的，所述逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和所述三相电流的相位角之间的对应关系的表达式为：

；

其中，为所述三相电流的峰值，/>为所述三相电流的相位角。

可选的，所述载波的载波频率的表达式为：

；

其中，为所述载波的载波频率，/>为所述逆变器中开关频率的频率变化范围的上限和下限的差值，f _{c_base} 为所述逆变器的原始固定开关频率。

可选的，根据预设对应关系确定载波的载波频率之后，还包括：

判断所述载波频率是否大于预设频率阈值，所述预设频率阈值小于所述载波频率中的最大值；

若是，则将所述载波频率中大于预设频率阈值的载波频率钳位至所述预设频率阈值。

可选的，所述预设频率阈值为所述载波频率中最大值的0.8倍。

可选的，所述调制波为不连续脉冲宽度调制0方式、不连续脉冲宽度调制1方式、不连续脉冲宽度调制2方式、不连续脉冲宽度调制3方式、不连续脉冲宽度调制最小方式、不连续脉冲宽度调制最大方式中的任意一种。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种不连续脉冲宽度调制装置，应用于逆变器，所述不连续脉冲宽度调制装置包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述不连续脉冲宽度调制方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种逆变器，包括逆变器本体以及如上文所述不连续脉冲宽度调制装置，所述逆变器本体与所述不连续脉冲宽度调制装置连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述不连续脉冲宽度调制方法的步骤。

本发明提供的一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器，应用于逆变器，通过确定逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值与三相电流的相位角的对应关系，再根据对应关系确定载波的载波频率，其中，峰值与载波频率呈负相关，最终根据该载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。一方面降低了电磁干扰噪声，避免给电力电子装置带来严重的电磁兼容问题，提高了电力电子装置的可靠性；另一方面减少了半导体器件的开关损耗，同时降低了电力电子装置的损耗，提高了电力电子装置的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为本发明提供的一种不连续脉冲宽度调制方法的步骤流程图；

图2为本发明提供的一种逆变器输出的三相电流的峰值曲线示意图；

图3为本发明提供的一种载波频率曲线的示意图；

图4为本发明提供的一种变频应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制技术的结构示意图；

图5为本发明提供的一种不连续脉冲宽度调制装置的结构示意图；

图6为本发明提供的一种逆变器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种不连续脉冲宽度调制方法、装置、介质以及逆变器，能够降低电磁干扰噪声，避免给电力电子装置带来严重的电磁兼容问题，提高了电力电子装置的可靠性，减少了半导体器件的开关损耗，同时降低了电力电子装置的损耗，提高了电力电子装置的可靠性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

第一方面，请参照图1，本发明提供了一种不连续脉冲宽度调制方法，应用于逆变器，该不连续脉冲宽度调制方法包括：

S11：根据预设对应关系确定载波的载波频率，其中，预设对应关系为逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和三相电流的相位角之间的对应关系，峰值与载波频率呈负相关；

S12：根据载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。

逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V，50Hz正弦波）的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变器的直流母线电压恒定时，开关器件单次开关的损耗与瞬时电流大小成正比，一个电流周期内开关器件总损耗与开关频率的大小成正比。因此，为提高逆变器的效率，载波频率的变化趋势应在逆变器输出的三相电流较小时增大，为减少电磁干扰噪声与开关器件的损耗，在输出的三相电流较大时减小，从而兼顾电机驱动系统的电磁兼容和效率性能。本发明通过确定逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值与三相电流的相位角的对应关系，然后根据该对应关系确定载波的载波频率，并且满足峰值与载波频率呈负相关，最终根据载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。

本发明提供了一种不连续脉冲宽度调制方法，应用于逆变器，通过确定逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值与三相电流的相位角的对应关系，再根据对应关系确定载波的载波频率，其中，峰值与载波频率呈负相关，最终根据该载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号。一方面降低了电磁干扰噪声，避免给电力电子装置带来严重的电磁兼容问题，提高了电力电子装置的可靠性；另一方面减少了半导体器件的开关损耗，同时降低了电力电子装置的损耗，提高了电力电子装置的可靠性。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选的实施例，逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和三相电流的相位角之间的对应关系的表达式为：

；

其中，为三相电流的峰值，/>为三相电流的相位角。

可以理解，一个周期内的三相电流峰值曲线由六个波峰组合而成，具有周期性，因此可以通过（0，π/3）区间内的载波频率曲线推出整个电流周期的。请参考图2，图2为本发明提供的一种逆变器输出的三相电流的峰值曲线示意图，其中横坐标为三相电流的相位角，纵坐标为电流标幺值，i_a、i_b、i_c为三相电流。

本发明通过三相电流的周期特性确认了三相电流的峰值曲线，以便后续确定载波的载波频率，提高了不连续脉冲宽度调制方法的可靠性。

作为一种可选的实施例，载波的载波频率的表达式为：

；

其中为逆变器中开关频率的频率变化范围的上限和下限的差值，f _{c_base} 为逆变器的原始固定开关频率。

为了保证电流的增长速度与载波频率的下降速度保持一致，载波频率曲线的变化率应基于电流峰值曲线的导数进行设计；根据积分中值定理，以原始固定开关频率f _{c_base} 为基准，根据逆变器中开关频率的频率变化范围的上限和下限的差值确定载波频率的最大值f _{c_max}和最小值f _{c_min}，得到区间（0，π/3）内载波频率曲线的表达式，其中，

。

本实施例给出了一种载波频率曲线的表达式以便后续根据该载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号，表达式是根据电流峰值曲线得到的，提高了不连续脉冲宽度调制方法的可靠性。

作为一种可选的实施例，根据预设对应关系确定载波的载波频率之后，还包括：

判断载波频率是否大于预设频率阈值，预设频率阈值小于载波频率中的最大值；

若是，则将载波频率中大于预设频率阈值的载波频率钳位至预设频率阈值。

由于上述表达式中的载波频率的峰值持续时间较短，在实际应用中不易实现并且增加了载波不稳定性，因此本实施例通过设置一个预设频率阈值，当载波频率的值大于预设频率阈值时将载波频率钳位至预设频率阈值。对于预设频率阈值的具体大小不做限定，根据实际需求进行设置即可。

本实施例通过设置预设频率阈值，增加了载波频率的峰值持续时间，提高了设计的载波的稳定性和可靠性。

作为一种可选的实施例，预设频率阈值为载波频率中最大值的0.8倍。

本实施例给出了预设频率阈值的一种具体实现，当载波频率的值大于载波频率中最大值的0.8倍时将载波频率钳位至载波频率中最大值的0.8倍。请参考图3，图3为本发明提供的一种载波频率曲线的示意图。其中横坐标为相位角，纵坐标为载波频率值。

本实施例通过设置预设频率阈值，增加了载波频率的峰值持续时间，提高了设计的载波的稳定性和可靠性。

除此之外，也可以选择其他的预设频率阈值，在此不做赘述。

作为一种可选的实施例，调制波为不连续脉冲宽度调制0方式（DPWM 0）、不连续脉冲宽度调制1方式（DPWM 1）、不连续脉冲宽度调制2方式（DPWM 2）、不连续脉冲宽度调制3方式（DPWM 3）、不连续脉冲宽度调制最小方式（DPWM MIN）、不连续脉冲宽度调制最大方式（DPWM MAX）中的任意一种。

不连续脉冲宽度调制通过设计SV脉宽调制中零矢量的分配使输出相电压的三分之一个周期内处于电压钳位状态。传统SV脉宽调制在一个载波周期同时使用V₀和V₇两个零矢量，因此一个调制波周期内器件开关频率与载波频率一致，当开关频率较高时系统损耗较大。基于平均值等效原理可知，零矢量的分配方式不影响最终合成矢量，不连续脉冲宽度调制在一个载波周期内只使用一个零矢量，并且每个扇区中设定固定零矢量为V₀和V₇，因此器件在一个电压周期内累计有120°扇区不进行开关动作，在不影响电压输出的情况下降低了开关损耗。

根据不同扇区中零矢量分配方式的不同，不连续脉冲宽度调制的类型可分为不连续脉冲宽度调制0方式、不连续脉冲宽度调制1方式、不连续脉冲宽度调制2方式、不连续脉冲宽度调制3方式、不连续脉冲宽度调制MIN方式、不连续脉冲宽度调制MAX方式六种，具体零矢量分配方式如表1所示，其中扇区Ⅰ的V₀表示在在0~60°全扇区内采用V₀，扇区Ⅰ的V₀V₇表示在0~30°子扇区内采用V₀，在30°~60°子扇区内采用V₇，其余扇区情况依此类推。

表1 不连续脉冲宽度调制的调制类型和零矢量分配方式

六种应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制技术按照各自的零矢量分配方式得到不同的调制波，当调制波标幺值为-1或1时，开关器件保持导通或保持关断，因此采用应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制技术约减小了三分之一左右的开关损耗。由于SiC器件开关损耗与电流大小相关，不同功率因数下采用同一种应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制类型的逆变器损耗不同，因此可以根据系统工况选择合适的不连续脉冲宽度调制类型，使损耗的优化效果达到最佳。

本实施例给出了六种具体的调制波的波形，可以根据上述载波频率的载波及调制波生成逆变器的不连续脉冲宽度调制信号，提高了应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制的可靠性。

第二方面，本发明还提供了一种不连续脉冲宽度调制装置，请参考图4和图5，图4为本发明提供的一种变频应用于逆变器的不连续脉冲宽度调制技术的结构示意图，图5为本发明提供的一种不连续脉冲宽度调制装置的结构示意图，包括：

存储器51，用于存储计算机程序；

处理器52，用于执行计算机程序时实现不连续脉冲宽度调制方法的步骤。

其中，u _αref以及u _βref为不连续脉冲宽度调制的静止角坐标系输入值，T _cma、T _cmb、T _cmc分别为不连续脉冲宽度调制一个周期内三相的工作时长，为三相电流的相位角，为载波的输出表达式，T _c为载波一个周期内的工作时长。

具体实施例如上，具有与上述不连续脉冲宽度调制方法同样的效果。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现不连续脉冲宽度调制方法的步骤。

具体实施例如上，具有与上述不连续脉冲宽度调制方法同样的效果。

第四方面，本发明还提供了一种逆变器，请参考图6，图6为本发明提供的一种逆变器的结构示意图，包括逆变器本体62以及不连续脉冲宽度调制装置61，逆变器本体62与不连续脉冲宽度调制装置61连接。

具体实施例如上，具有与上述不连续脉冲宽度调制方法同样的效果。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (6)

1.一种不连续脉冲宽度调制方法，其特征在于，应用于逆变器，所述不连续脉冲宽度调制方法包括：

根据预设对应关系确定载波的载波频率，其中，所述预设对应关系为所述逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和所述三相电流的相位角之间的对应关系，所述峰值与所述载波频率呈负相关；

根据所述载波频率的载波及调制波生成所述逆变器的不连续脉冲宽度调制信号；

所述逆变器输出的三相电流的绝对值的峰值和所述三相电流的相位角之间的对应关系的表达式为：

；

其中，为所述三相电流的峰值，/>为所述三相电流的相位角；

所述载波的载波频率的表达式为：

；

其中，为所述载波的载波频率，/>为所述逆变器中开关频率的频率变化范围的上限和下限的差值，f _{c_base} 为所述逆变器的原始固定开关频率；

所述调制波为DPWM 0、DPWM 1、DPWM 2、DPWM 3、DPWM MIN、DPWM MAX中的任意一种。

2.如权利要求1所述的不连续脉冲宽度调制方法，其特征在于，根据预设对应关系确定载波的载波频率之后，还包括：

判断所述载波频率是否大于预设频率阈值，所述预设频率阈值小于所述载波频率中的最大值；

若是，则将所述载波频率中大于预设频率阈值的载波频率钳位至所述预设频率阈值。

3.如权利要求2所述的不连续脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述预设频率阈值为所述载波频率中最大值的0.8倍。

4.一种不连续脉冲宽度调制装置，其特征在于，应用于逆变器，所述不连续脉冲宽度调制装置包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述不连续脉冲宽度调制方法的步骤。

5.一种逆变器，其特征在于，包括逆变器本体以及如权利要求4所述不连续脉冲宽度调制装置，所述逆变器本体与所述不连续脉冲宽度调制装置连接。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述不连续脉冲宽度调制方法的步骤。