CN1334640A - 基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生方法及装置,首先将需要模拟的任意参考波形在Y轴方向上27等分,根据波形和27等分的交点记录交点时间并保存,根据交点时间发出控制信号,根据控制信号产生27个电平,由该27个电平组合出所需的任意波形。波形发生装置包括控制信号发生器、光耦隔离驱动器和三单元混合串级逆变主电路。本发明的方法及其装置,由于电平数的大量增加可以使被模拟波形的失真率大大降低,通过该电路可以模拟任意波。在保证很低的失真率前提下可以将这一装置应用到多种场合,如模拟正弦波进行交流变频调速;使用该装置还可以模拟任意不规则的波形,从而可以完成许多以前只能用软件完成的工作如汉字识别。

Description

基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置及其方法

技术领域：

本发明涉及一种基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置及其方法，属电子电力技术领域。

背景技术：

多电平变换器在大功率电力电子变换器、有源滤波器及特种交流电源等领域得到了广泛应用。多电平变换电路的一般结构是通过几个电平台阶合成阶梯波、同时辅之以PWM调制以逼近所需的波形如正弦波。这种电路产生的电平数越多，逼近波形的失真率就越低。近年来，从不同的应用领域研发出了多种基于多电平变换的拓扑电路。其中最主要的有基于二极管或电容钳位的“中点钳位逆变电路”，使用多个独立电源钳位的“串级逆变电路”以及由其改进得到的“两单元混合串级逆变电路”。

无论是基本的串级逆变电路，还是基于混合单元的串级逆变电路，其单元电路的结构都是基于全桥逆变结构并使用独立直流电源进行电压钳位的。以采用功率晶体管作为开关器件为例，基本单元电路的结构如图1所示，这个基本单元可产生3电平。同时导通Sa1和Sb2时可以在两桥臂间产生一个正电平，同时导通Sa2和Sb1，可以产生大小相等，极性相反的负电平。当同时导通Sa1和Sb1或同时导通Sa2和Sb2时，则输出零电平。混合单元串级逆变电路的基本思想是在电路功率单元的不同小单元中使用不同的功率器件，例如一个小单元使用IGBT，另一个小单元使用IGCT，如图2所示。每个混合功率单元由两个全桥逆变小单元组成，一个使用IGCT或IEGT等大容量功率器件，另一个小单元使用高开关频率的IGBT。此时在耐压高的IGCT单元上施加两倍于IGBT单元的电压，然后通过一定的控制逻辑就可以在相同开关器件数目下实现7电平的输出波形，如表1所示。而这种结构的普通串级电路只能输出5电平。

表1混合单元电压比1∶2时输出电平状态分析(单位：1电平单元＝1Vdc)

电压比1∶2
			输出电平	IGCT输出	IGBT输出
-3	-2	-1
			-2	-2	0
-1	0	-1
			0	0	0
1	0	1
			2	2	0
3	2	1

从以上分析可以看出，基于混合单元的串级逆变电路相比普通串级电路最显著的优点是：由于每个混合功率单元中两个小单元预先给定的电压不同，因此通过协调小单元间各桥臂的开通或关断，就可以在相同数量的开关器件下，输出更多电平数的波形。

发明内容：

本发明的目的是提出一种基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置及其方法，鉴于混合单元串级逆变电路可以产生更多电平数输出的波形的这一特点，在现有两单元混合串级逆变电路的基础上进一步改进电路装置，并通过一定的控制方法实现在三单元、12个开关器件下的27电平输出波形。由于原有的两单元混合串级逆变电路是以提高输出电压和功率为目的的，而本发明的目的只是得到更多的输出电平数，从而以很低的失真率模拟任意波形。所以本发明装置中的所有全桥单元完全可以使用相同的开关器件，这样即使按不同电压比给各单元供电也不会超出器件工作电压范围。

本发明提出的基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生方法，包括以下各步骤：

1、要模拟的任意参考波形在Y轴方向上进行27等分，然后根据波形和27等分的交点记录交点时间并保存；

2、根据上述交点时间发出控制信号；

3、根据上述控制信号产生27个电平，由该27个电平组合出所需的任意波形。

本发明提出的基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置，包括控制信号发生器、光耦隔离驱动器和三单元混合串级逆变主电路；其中的控制信号发生器通过光耦隔离驱动器与三单元混合串级逆变主电路相连；其中的三单元混合串级逆变主电路包括一个三副边绕组变压器、三个整流全桥以及三个独立全桥单元，其中的三副边绕组变压器主边与外交流电源相连，三个独立全桥单元分别通过一个整流桥与变压器的三个副边相连。

本发明提出的基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置及其方法，由于电平数的大量增加可以使被模拟波形的失真率大大降低，这样使通过该电路模拟任意波形成为了可能。在保证很低的失真率前提下可以将这一装置应用到多种场合，如模拟正弦波进行交流变频调速；使用该装置还可以模拟任意不规则的波形。

附图说明：

图1是已有技术中串级逆变电路的基本电路单元结构。同时导通Sa1和Sb2或同时导通Sa2和Sb1，就可在两桥臂间产生极性相反的电平。当同时导通Sa1和Sb1或同时导通Sa2和Sb2时，则输出零电平。

图2是已有技术中两单元的混合串级逆变电路。每个混合功率单元由两个全桥逆变小单元组成，一个使用IGCT或IEGT等大容量功率器件(图中暂以晶闸管符号代替IGCT或IEGT)，另一个小单元使用高开关频率的IGBT。此时在耐压高的IGCT单元上施加两倍于IGBT单元的电压，然后通过一定的控制逻辑就可以在相同开关器件数目下实现7电平的输出波形。

图3是本发明装置的结构框图。

图4是本发明装置中三单元混合串级逆变主电路图。

图5是27电平模拟正弦波形的方法仿真。

图6是使用本装置模拟的三角波波形效果。

图7是使用本装模拟的正弦波波形效果。

具体实施方式：

本发明的电路装置主要包括三个部分：①控制信号发生器；②光耦隔离驱动器；③三单元混合串级逆变主电路。装置框图如图3所示，其中：

①控制信号发生器为Intel80C196MC单片机电路，首先根据要模拟的波形编制数据表，然后根据该数据表编制27电平开关逻辑顺序汇编程序，使用Intel80C196MC单片机电路输出对混合串级逆变主电路中三个全桥单元内共12个功率器件的开关控制信号到光耦驱动电路；

②光耦隔离驱动器使用TL P250光耦对控制信号进行光电隔离，然后将隔离后的27电平控制逻辑信号放大后输出到三单元混合串级逆变主电路中的12个开关功率器件；

③在三单元混合串级逆变主电路中首先通过交流电源对主电路中的三副边绕组变压器供电，然后对变压器三副边输出电压进行整流，将混合串级逆变主电路中三个独立全桥单元的电容按电压比为1∶3∶9进行充电。最后在光耦隔离驱动装置提供的开关控制信号控制下按27电平开关逻辑分别开通三个单元中的12个功率器件，使主电路中的三个电容按相应逻辑分别输出大小一定的电平，最后在输出端通过示波器即可观察到27个电平台阶组合出的任意波形。三单元混合串级逆变主电路如图4所示。

本发明的控制方法是将被模拟的任意参考波形在Y轴(幅值)方向上27等分，然后根据参考波形27等分的交点在横轴(时间轴)上的坐标编制时间数据表，即可组合出需要的波形。图5是使用该方法模拟正弦波形的仿真结果。这种方法的具体原理在下文叙述。

下面是本发明的一个实施例：

使用上述的混合单元逆变电路装置，输出了模拟的三角波形和正弦波形。三角波波形效果如图6所示，正弦波形效果如图7所示。以下通过失真率的分析比较来说明这一装置的效果。这里定义失真率v为参考波形所包围的面积和27电平所逼近波形所包围面积之差，和原参考波形面积的比，即： $v=\left|\frac{S_{\mathrm{ref}}-S_{27}}{S_{\mathrm{ref}}}\right|*100\%---\left(1\right)$

下面以逼近正弦波为例来说明此装置的效果和优越性。设正弦参考波形幅值为13，周期为2Pi，则正弦参考波的面积为： $S_{\mathrm{ref}}=13*2\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{Sin\ωtd\ωt}=52$

此时如果采用27电平触发，即在正弦参考波和27电平相交处触发相应单元内的功率器件，则得到由27电平逼近的正弦波形面积为： $S_{27}=2\[2\underset{n=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}(\arcsin \frac{13}{13}-\arcsin \frac{n}{13})+(\arcsin 1-\arcsin 0)\]=51.69922$

此时按公式(1)计算的失真率为0.57841％。

为了进一步降低失真率，可以对触发的时刻进行微调整。例如采用“0.5电平触发”，即在(+/-)0.5、1.5、2.5...12.5电平处按表4触发三单元中相应的开关器件，这也是本实验中实际采用的触发逻辑。则此时的27电平台阶逼近正弦波面积为： $S_{27}=4\left[\underset{n=1}{\overset{13}{\mathrm{\Σ}}}(\arcsin \frac{13}{13}-\arcsin \frac{n-0.5}{13})\right]=52.08288$

此时按公式(1)计算的失真率为0.15938％。而使用相同开关器件数的普通串级逆变电路和两单元混合逆变电路在使用“0.5电平触发”方法时，模拟正弦波形的失真率分别为1.20771％和0.38144％，由此可见27电平逼近的效果要大大优于原有电路。7.原理分析：

在现有的电压比1∶2型混合单元逆变电路的基础上，为了达到更多电平数输出的波形，对原混合单元串级逆变电路装置做了增加电压比和增加全桥单元数量两个改变。为了便于分析，首先定义各种串级逆变电路如下：若“M”为混合串级电路的基本单元个数，则设N＝M－1。此时各单元间电压比为{1⁰∶1¹∶1²...1^N}的串级逆变电路定义为“1^N型串级逆变电路”。同理，分别定义{2⁰∶2¹∶2²..2^N}和{3⁰∶3¹∶3²..3^N}为2^N型和3^N型混合串级逆变电路。

例如，给图2中IGCT单元三倍于IGBT单元的直流电压，即3¹型混合串级逆变电路。在电压比为1∶3的情况下按表2所示逻辑控制各个单元就可以产生9电平的输出，如表2所示。

表2混合单元电压比1∶3时输出电平状态分析(单位：1电平单元＝1Vdc)

电压比1∶3
			输出电平	IGCT输出	IGBT输出
-4	-3	-1
			-3	-3	0
-2	-3	1
			-1	0	-1
0	0	0
			1	0	1
2	3	-1
			3	3	0
4	3	1

进一步研究电压比的改变可以发现，如果将电压比设为1∶4或更高，输出电平中就会出现超过1Vdc(单位电平)的跳变。此时由于dv/dt的增加会同时增加电路的谐波，因此把这样的电路输出用于逼近任意波形的实用价值不大。在改变电压比的基础上，为了实现更多电平的输出，可以在保持电压比的前提下继续增加全桥单元的数量。表3为上述电路的输出电平数和单相逆变桥所需开关器件数量的比较。表3混合单元中各小单元在不同电压比下输出电平数和使用器件数的比较(N为小单

                            元数)

电压比	10∶11∶12...11	20∶21∶22...2N	30∶31∶32...31
				电平数	2N＋3	2N＋2－1	3N＋1
器件数	4(N＋1)	4(N＋1)	4(N＋1)

举例说明，当N等于3时，开关器件同样为12个，电压比为1∶1∶1∶的混合单元输出7个电平，1∶2∶4的混合单元可以输出15个电平，而1∶3∶9的混合单元将输出27个电平。3²型混合串级逆变电路实现27电平输出时各单元的输出状态如表4所示。表4 3²型混合单元逆变电路27电平输出时各小单元输出状态分析

输出电平状态	各小单元在不同电压比下输出电平状态(单位：1电平元＝1Vdc)
				1Vdc(IGBT)	3Vdc(IGBT或IGCT)	9Vdc(IGCT)
	+13	1	3				9
+12				0	3	9
	+11	-1	3				9
+10				1	0	9
	+9	0	0				9
+8				-1	0	9
	+7	1	-3				9
+6				0	-3	9
	+5	-1	-3				9
+4				1	3	0
	+3	0	3				0
+2				-1	3	0
	+1	1	0				0
0				0	0	0
	-1	-1	0				0
-2				1	-3	0
	-3	0	-3				0
-4				-1	-3	0
	-5	1	3				-9
-6				0	3	-9
	-7	-1	3				-9
-8				1	0	-9
	-9	0	0				-9
-10				-1	0	-9
	-11	1	-3				-9
-12				0	-3	-9
	-13	-1	-3				-9

Claims (2)

1、一种基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)模拟的任意参考波形在Y轴方向上进行27等分，然后根据波形和27等分的交

   点记录交点时间并保存；

(2)根据上述交点时间发出控制信号；

(3)根据上述控制信号产生27个电平，由该27个电平组合出所需的任意波形。

2、一种基于混合单元串级逆变电路的任意波形发生装置，其特征在于该装置包括控制信号发生器、光耦隔离驱动器和三单元混合串级逆变主电路；其中的控制信号发生器通过光耦隔离驱动器与三单元混合串级逆变主电路相连；其中的三单元混合串级逆变主电路包括一个三副边绕组变压器、三个整流全桥以及三个独立全桥单元，其中的三副边绕组变压器主边与外交流电源相连，三个独立全桥单元分别通过一个整流桥与变压器的三个副边相连。

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