本發(fā)明屬于多電平變流器PWM技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種適用于電壓比為1∶2的混合級聯(lián)H橋七電平逆變器的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法。
背景技術(shù):
多電平變流器能夠?qū)⒛蛪旱燃壿^低、開關(guān)頻率較高的開關(guān)器件應(yīng)用于中、高壓場合而受到廣泛關(guān)注,然而傳統(tǒng)多電平拓撲存在的所需開關(guān)器件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點,在很大程度上限制了多電平技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用?;旌隙嚯娖酵負渥鳛槎嚯娖郊夹g(shù)的一個重要的發(fā)展方向,與傳統(tǒng)多電平拓撲相比,在輸出相同電平數(shù)的情況下,使用的開關(guān)器件和直流源個數(shù)更少,這可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低成本?;旌霞壜?lián)H橋是由傳統(tǒng)的等壓級聯(lián)H橋拓撲發(fā)展而來,首次由印度學(xué)者M.D.Manjrekar提出,其直流側(cè)電壓呈二進制規(guī)律變化。圖1為兩個H橋級聯(lián)拓撲,直流側(cè)電壓比為1∶2,該拓撲最多可以輸出七個不同的電平。
調(diào)制策略是多電平變流器研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),它與逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)相輔相成,直接決定著逆變器輸出波形質(zhì)量的好壞和系統(tǒng)效能的高低。針對圖1所示類型的混合拓撲,M.D.Manjrekar等人提出了一種混合調(diào)制策略。該策略中,電壓等級較高的單元采用低頻調(diào)制,減少了開關(guān)損耗,只有電壓等級最低的單元采用高頻PWM調(diào)制,如此輸出連續(xù)變化的多電平PWM波形。然而,當(dāng)這種調(diào)制策略用于圖1所示拓撲中時,在部分調(diào)制區(qū)間內(nèi),高壓單元輸出電壓基波分量超出了級聯(lián)單元總輸出電壓基波分量,此時高壓單元將多余的基波有功功率回饋到低壓單元,造成功率倒灌現(xiàn)象。為了保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定,低壓單元直流側(cè)需采用可逆整流,這將大大增加逆變裝置的體積和成本,制約了該拓撲的實用性。
單極性調(diào)制方法以載波層疊調(diào)制為基礎(chǔ),是一種適用于混合級聯(lián)H橋七電平逆變器的調(diào)制技術(shù),能夠有效地避免混合調(diào)制策略中固有的功率倒灌現(xiàn)象,但其存在高壓單元工作頻率較高的問題。針對這一問題,可以采用混合頻率調(diào)制方法,其原理如圖2所示,載波vtr2的頻率f2小于載波vtr1和vtr3的頻率f1。降低參與高壓單元調(diào)制的載波頻率,進而降低高壓單元的開關(guān)頻率和損耗,但是輸出電壓的諧波特性會受到影響。因此,如何在高壓單元開關(guān)頻率較低的情況下避免功率倒灌問題,同時保證系統(tǒng)良好的輸出特性具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提出一種適用于混合級聯(lián)H橋七電平逆變器的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法,一方面解決傳統(tǒng)混合調(diào)制策略固有的功率倒灌問題,另一方面提高高壓單元輸出電壓的等效頻率,在該單元開關(guān)頻率較低的情況下保證逆變器輸出電壓具有良好的諧波特性,從而提高該多電平逆變器的實用性。
技術(shù)方案
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
(1)該方法的實現(xiàn)電路包括邏輯脈沖發(fā)生電路和驅(qū)動邏輯運算電路兩部分。邏輯脈沖發(fā)生電路由基準正弦信號(vref)、絕對值運算電路(Abs)、三角載波信號(vtra、vtrc)、載波信號(vtrb1、vtrb2)和五個比較器(T1~T5)組成。驅(qū)動邏輯運算電路由七個雙輸入與門(Y1~Y7)、六個雙輸入或門(Z1~Z6)和八個非門(X1~X8)組成。其中三角載波信號vtrc的峰峰值為E,位于零參考線之上,并且介于電平0和電平E之間,三角載波信號vtra的峰峰值為E,位于零參考線之上,并且介于電平2E和電平3E之間,兩者相位相同,頻率均為fc1。載波信號vtrb1和載波信號vtrb2的峰峰值為E,位于零參考線之上,并且介于電平E和電平2E之間,兩者波形相同,頻率均為fc2,相位上相差180°,且其波形特征是:在半個載波周期內(nèi)為普通的三角波,在另外半個載波周期內(nèi)為恒值E。同時,頻率fc1和fc2有如下關(guān)系:fc1>fc2。
(2)在邏輯脈沖發(fā)生電路中:基準正弦信號vref接入絕對值運算電路Abs的輸入端,絕對值運算電路Abs的輸出端為調(diào)制信號vm。調(diào)制信號vm分別接入比較器T1~T4的正相輸入端,三角載波信號vtra接入比較器T1的反相輸入端,載波信號vtrb1接入比較器T2的反相輸入端,載波信號vtrb2接入比較器T3的反相輸入端,三角載波信號vtrc接入比較器T4的反相輸入端?;鶞收倚盘杤ref接入比較器T5的正相輸入端,比較器T5的反相輸入端接零參考電位。
(3)在驅(qū)動邏輯運算電路中:比較器T5輸出的極性脈沖信號D作為開關(guān)管Q11的驅(qū)動信號,比較器T5輸出端接非門X3后的輸出信號作為開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號;比較器T2輸出的邏輯脈沖信號B1接非門X1輸入端,比較器T3輸出的邏輯脈沖信號B2接非門X2輸入端,非門X1和X2的輸出信號接或門Z1的兩個輸入端,或門Z1的輸出端和比較器T4輸出的邏輯脈沖信號C接與門Y2的兩個輸入端,與門Y2的輸出端和比較器T1輸出的邏輯脈沖信號A接或門Z3的兩個輸入端,或門Z3的輸出端經(jīng)非門X4后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y4的兩個輸入端,或門Z3的輸出端和極性脈沖信號D接與門Y5的兩個輸入端,與門Y4的輸出端和與門Y5的輸出端接或門Z5的兩個輸入端,或門Z5的輸出信號作為開關(guān)管Q14的驅(qū)動信號,或門 Z5的輸出端接非門X6后的輸出信號作為開關(guān)管Q13的驅(qū)動信號;邏輯脈沖信號B2經(jīng)非門X2后和邏輯脈沖信號B1接或門Z2的兩個輸入端,或門Z2的輸出端經(jīng)非門X5后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y6的兩個輸入端,或門Z2的輸出端和極性脈沖信號D接與門Y7的兩個輸入端,與門Y6的輸出端和與門Y7的輸出端接或門Z6的兩個輸入端,或門Z6的輸出信號作為開關(guān)管Q21的驅(qū)動信號,或門Z6的輸出端接非門X7后的輸出信號作為開關(guān)管Q22的驅(qū)動信號;比較器T3和T5的輸出端接與門Y1的兩個輸入端,比較器T3輸出端經(jīng)非門X2后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y3的兩個輸入端,與門Y1的輸出端和與門Y3的輸出端接或門Z4的兩個輸入端,或門Z4的輸出信號作為開關(guān)管Q24的驅(qū)動信號,或門Z4的輸出端接非門X8后的輸出信號作為開關(guān)管Q23的驅(qū)動信號。
有益效果
本發(fā)明的方法可以保證混合級聯(lián)H橋七電平逆變器高、低壓單元輸出電壓極性始終相同,在全調(diào)制比范圍內(nèi)避免傳統(tǒng)混合調(diào)制方法中存在的功率倒灌問題。同時提高目標單元輸出電壓的等效頻率,在該單元開關(guān)頻率較低的情況下保證逆變器輸出電壓具有良好的諧波特性,從而提高該多電平逆變器的實用性。
附圖說明
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明專利作進一步說明。
圖1是混合級聯(lián)H橋七電平逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。
圖2是已提出的混合頻率調(diào)制方法原理圖。
圖3是本發(fā)明所提的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法原理圖。
圖4是本發(fā)明所提的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法的電路實現(xiàn)示意圖。
圖5是應(yīng)用本發(fā)明所提的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法時,混合級聯(lián)H橋七電平逆變器上、下級聯(lián)單元輸出電壓以及合成后的逆變器總輸出電壓仿真波形
圖6是應(yīng)用本發(fā)明所提的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法時,高壓單元開關(guān)管的驅(qū)動信號和相應(yīng)的輸出電壓波形。
具體實施方式
本發(fā)明提出的適用于混合級聯(lián)H橋七電平逆變器的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法,是對載波層疊調(diào)制與載波移相調(diào)制的拓展,有效地結(jié)合了兩者的優(yōu)點,其調(diào)制原理如圖3所示。
該調(diào)制方法需要兩個三角載波信號(vtra、vtrc)和兩個載波信號(vtrb1、vtrb2)。第一層三角載 波信號vtrc的峰峰值為E,位于零參考線之上,并且介于電平0和電平E之間,第三層三角載波信號vtra的峰峰值為E,位于零參考線之上,并且介于電平2E和電平3E之間,三角載波信號vtrc與三角載波信號vtra的相位相同,頻率均為fc1。第二層載波信號由峰峰值為E的載波信號vtrb1和vtrb2組成,兩者均介于電平E和電平2E之間,波形相同,頻率為fc2,但在相位上相差180°。其波形特征是:在半個載波周期內(nèi)為普通的三角波,在另外半個載波周期內(nèi)為恒值E。同時,頻率fc1和fc2有如下關(guān)系:fc1>fc2。
基準正弦信號vref進行取絕對值運算得到調(diào)制信號vm。調(diào)制信號vm分別與上述三角載波信號vtra、vtrc和載波信號vtrb1、vtrb2進行比較,當(dāng)調(diào)制信號大于相應(yīng)的載波信號時輸出為高電平,反之輸出為零電平,如此可以得到四個邏輯脈沖信號A、B1、B2、C。將基準正弦信號vref直接與零電壓進行比較可得其極性脈沖信號D。
在調(diào)制信號正半周期內(nèi),具體的調(diào)制原理如下:
第一層載波區(qū)域:該層對應(yīng)的區(qū)間只有最底層三角載波信號vtrc與調(diào)制信號vm進行比較,合成總輸出為的PWM波形。此時,低壓單元輸出vLo,高壓單元輸出vHo,以及級聯(lián)逆變器的輸出vo如下式所示:
當(dāng)0<vm<vtrc時,級聯(lián)逆變器輸出0電平,此時高壓單元與低壓單元均輸出0電平,開關(guān)管Q11,Q13,Q21和Q23導(dǎo)通;當(dāng)vtrc<vm<E時,級聯(lián)逆變器輸出電平E,此時高壓單元仍然輸出0電平,開關(guān)管Q21和Q23保持開通,低壓單元輸出電平E,開關(guān)管Q11和Q14開通。因此在第一層載波區(qū)域,高壓單元恒輸出0電平且開關(guān)管Q21和Q23恒開通,低壓單元輸出的高頻PWM波形,開關(guān)管Q11恒開通,開關(guān)管Q14驅(qū)動信號為高頻PWM脈沖,且由調(diào)制信號vm與三角載波信號vtrc的比較結(jié)果確定。
第二層載波區(qū)域:在此區(qū)域,一方面要保證兩單元輸出電壓極性相同以避免功率倒灌問題,此時需要兩單元互補工作,交替輸出高電平,從而合成總輸出為的PWM波形;另一方面在不影響輸出電壓波形質(zhì)量的前提下,盡量降低高壓單元的開關(guān)頻率。基于此,使調(diào)制信號vm與兩個載波信號vtrb1和vtrb2分別進行比較,由于載波信號vtrb1和vtrb2幅值、頻率相同,相位互差180°,具有載波移相的特點,因此高壓單元能夠以較低的開關(guān)頻率,輸出較高頻率的PWM波形。
當(dāng)E<vm<vtrb1、vtrb2<vm<2E時,逆變器總輸出為電平E,此時低壓單元輸出電平E,開關(guān)管Q11和Q14開通,高壓單元輸出0電平,開關(guān)管Q22和Q24開通。當(dāng)vtrb1<vm<2E、E<vm<vtrb2 時,逆變器總輸出為電平E,此時低壓單元輸出電平E,開關(guān)管Q11和Q14開通,高壓單元輸出0電平,開關(guān)管Q21和Q23開通。當(dāng)vtrb1<vm<2E且vtrb2<vm<2E時,逆變器總輸出為電平2E,此時低壓單元輸出電平0,開關(guān)管Q11和Q13開通,高壓單元輸出2E電平,開關(guān)管Q21和Q24開通。此區(qū)間內(nèi)兩個功率單元配合工作,交替輸出高電平,即低壓單元輸出電平E時,高壓單元輸出0電平,低壓單元輸出0電平時,高壓單元輸出2E電平,最終輸出的高頻PWM波形。
其中,當(dāng)vtrb1<vm<2E時,高壓單元開關(guān)管Q21開通,當(dāng)vtrb2<vm<2E時,高壓單元開關(guān)管Q24開通。如此,當(dāng)同時滿足vtrbt<vm<2E和vtrb2<vm<2E時,開關(guān)管Q21和Q24同時開通,高壓單元輸出電平2E;如滿足vtrb1<vm<2E而不滿足vtrb2<vm<2E時,開關(guān)管Q21開通,開關(guān)管Q24關(guān)斷,高壓單元輸出0電平;如不滿足vtrb1<vm<2E而滿足vtrb2<vm<2E時,開關(guān)管Q21關(guān)斷,開關(guān)管Q24開通,高壓單元輸出0電平。結(jié)合圖3可以清晰地看出,高壓單元輸出PWM脈沖的頻率為其驅(qū)動信號頻率的兩倍,因此有效地提高了高壓單元的等效開關(guān)頻率。
通過以上分析,可以得出低壓單元輸出vLo,高壓單元輸出vHo,以及級聯(lián)逆變器的輸出vo如下式所示:
第三層載波區(qū)域:該層三角載波信號vtra與調(diào)制信號vm進行比較,合成逆變器總輸出為的PWM波形。此時,低壓單元輸出vLo,高壓單元輸出vHo,以及級聯(lián)逆變器的輸出vo如下式所示:
當(dāng)2E<vm<vtra時,逆變器總輸出為電平2E,此時高壓單元輸出電平2E,開關(guān)管Q21和Q24導(dǎo)通,低壓單元輸出0電平,開關(guān)管Q11和Q13導(dǎo)通;當(dāng)vtra<vm<3E時,逆變器總輸出為電平3E,此時高壓單元輸出電平2E,開關(guān)管Q21和Q24導(dǎo)通,低壓單元輸出電平E,開關(guān)管Q11和Q14開通。因此,在第三層載波區(qū)域,高壓單元恒輸出電平2E,且開關(guān)管Q21和Q24恒開通;低壓單元輸出的高頻PWM波形,且開關(guān)管Q11恒開通,開關(guān)管Q14的驅(qū)動信號為高頻PWM脈沖,由調(diào)制信號vm與三角載波信號vtra的比較結(jié)果確定。
表1列出了在基準正弦信號vref正半周期各層載波區(qū)域內(nèi)高、低壓單元和級聯(lián)逆變器的輸出情況以及各開關(guān)管的工作情況??梢钥闯?,在基準正弦信號vref正半周期內(nèi),對于低壓單元,開關(guān)管Q11恒導(dǎo)通(開關(guān)管Q12恒關(guān)斷),當(dāng)vtrc<vm<vtrb1或vtrc<vm<vtrb2或vm>vtra時,開關(guān)管Q14開通,反之開關(guān)管Q13開通;對于高壓單元,在第一層載波區(qū)域內(nèi),開關(guān)管Q21保持開通,開關(guān)管Q24保持關(guān)斷,在第三層載波區(qū)域內(nèi),開關(guān)管Q21和開關(guān)管Q24均保持開通,在第二層載波區(qū)域內(nèi),當(dāng)vm>vtrb1時,開關(guān)管Q21開通,當(dāng)vm>vtrb2時,開關(guān)管Q24開通。通過邏輯運算可以得到在基準正弦信號vref正半周期各開關(guān)管的數(shù)學(xué)邏輯表達式為:
表1正半周期各單元輸出及相應(yīng)的開關(guān)管狀態(tài)
表2列出了在基準正弦信號vref負半周期各層載波區(qū)域內(nèi)高、低壓單元和級聯(lián)逆變器的輸出情況以及各開關(guān)管的工作情況??梢钥闯觯诨鶞收倚盘杤ref負半周期內(nèi),對于低壓單元,開關(guān)管Q12恒導(dǎo)通(開關(guān)管Q11恒關(guān)斷),當(dāng)vtrc<vm<vtrb1或vtrc<vm<vtrb2或vm>vtra時,開關(guān)管Q13開通,反之開關(guān)管Q14開通;對于高壓單元,在第一層載波區(qū)域內(nèi),開關(guān)管Q22保持開通,開關(guān)管Q23保持關(guān)斷,在第三層載波區(qū)域內(nèi),開關(guān)管Q22和開關(guān)管Q23均保持開通,在第二層載波區(qū)域內(nèi),當(dāng)vm>vtrb1時,開關(guān)管Q22開通,當(dāng)vm>vtrb2時,開關(guān)管Q23開通。通過邏輯運算可以得到在基準正弦信號vref負半周期內(nèi)各開關(guān)管的數(shù)學(xué)邏輯表達式為:
結(jié)合以上分析以及基準正弦信號vref、負半周內(nèi)開關(guān)管的驅(qū)動規(guī)律,可以得到一個調(diào)制周期內(nèi)各開關(guān)管邏輯驅(qū)動信號的統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達式:
表2負半周期各單元輸出及相應(yīng)的開關(guān)管狀態(tài)
根據(jù)此表達式,可以得到上述調(diào)制方法的電路實現(xiàn)示意圖如圖4所示,它由邏輯脈沖發(fā)生電路和驅(qū)動邏輯運算電路兩部分構(gòu)成。其中,邏輯脈沖發(fā)生電路由基準正弦信號(vref)、絕對值運算電路(Abs)、三角載波信號(vtra、vtrc)、載波信號(vtrb1、vtrb2)和五個比較器(T1~T5)組成,其功能是通過調(diào)制信號vm和三角載波信號vtra、vtrc以及載波信號vtrb1、vtrb2分別進行比較產(chǎn)生四個邏輯脈沖信號A、B1、B2、C,基準正弦信號vref直接和零電壓比較產(chǎn)生其極性脈沖信號D。驅(qū)動邏輯運算電路由七個雙輸入與門(Y1~Y7)、六個雙輸入或門(Z1~Z6)和八個非門(X1~X8)組成,其功能是實現(xiàn)上述統(tǒng)一數(shù)學(xué)邏輯表達式所描述的驅(qū)動邏輯規(guī)律。下面詳細介紹其實現(xiàn)原理:
在邏輯脈沖發(fā)生電路中:基準正弦信號vref接入絕對值運算電路Abs的輸入端,絕對值運算電路Abs的輸出端為調(diào)制信號vm。調(diào)制信號vm分別接入比較器T1~T4的正相輸入端,三角載波信號vtra接入比較器T1的反相輸入端,載波信號vtrb1接入比較器T2的反相輸入端,載波信號vtrb2接入比較器T3的反相輸入端,三角載波信號vtrc接入比較器T4的反相輸入端?;? 準正弦信號vref接入比較器T5的正相輸入端,比較器T5的反相輸入端接零參考電位。
在驅(qū)動邏輯運算電路中:比較器T5輸出的極性脈沖信號D作為開關(guān)管Q11的驅(qū)動信號,比較器T5輸出端接非門X3后的輸出信號作為開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號;比較器T2輸出的邏輯脈沖信號B1接非門X1輸入端,比較器T3輸出的邏輯脈沖信號B2接非門X2輸入端,非門X1和X2的輸出信號接或門Z1的兩個輸入端,或門Z1的輸出端和比較器T4輸出的邏輯脈沖信號C接與門Y2的兩個輸入端,與門Y2的輸出端和比較器T1輸出的邏輯脈沖信號A接或門Z3的兩個輸入端,或門Z3的輸出端經(jīng)非門X4后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y4的兩個輸入端,或門Z3的輸出端和極性脈沖信號D接與門Y5的兩個輸入端,與門Y4的輸出端和與門Y5的輸出端接或門Z5的兩個輸入端,或門Z5的輸出信號作為開關(guān)管Q14的驅(qū)動信號,或門Z5的輸出端接非門X6后的輸出信號作為開關(guān)管Q13的驅(qū)動信號;邏輯脈沖信號B2經(jīng)非門X2后和邏輯脈沖信號B1接或門Z2的兩個輸入端,或門Z2的輸出端經(jīng)非門X5后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y6的兩個輸入端,或門Z2的輸出端和極性脈沖信號D接與門Y7的兩個輸入端,與門Y6的輸出端和與門Y7的輸出端接或門Z6的兩個輸入端,或門Z6的輸出信號作為開關(guān)管Q21的驅(qū)動信號,或門Z6的輸出端接非門X7后的輸出信號作為開關(guān)管Q22的驅(qū)動信號;比較器T3和T5的輸出端接與門Y1的兩個輸入端,比較器T3輸出端經(jīng)非門X2后和開關(guān)管Q12的驅(qū)動信號接與門Y3的兩個輸入端,與門Y1的輸出端和與門Y3的輸出端接或門Z4的兩個輸入端,或門Z4的輸出信號作為開關(guān)管Q24的驅(qū)動信號,或門Z4的輸出端接非門X8后的輸出信號作為開關(guān)管Q23的驅(qū)動信號。
圖5是應(yīng)用本發(fā)明所提的基于載波層疊的倍頻調(diào)制方法時,混合級聯(lián)H橋七電平逆變器上、下級聯(lián)單元輸出電壓以及合成后的逆變器總輸出電壓仿真波形。從圖中可以看出兩個單元協(xié)同工作,合成輸出為高頻調(diào)制的七電平PWM波形。此外,兩個單元輸出電壓極性始終相同,因此不存在功率倒灌問題。
圖6為應(yīng)用本發(fā)明所提方法時,高壓單元開關(guān)管的驅(qū)動信號和相應(yīng)的輸出電壓波形??梢钥闯?,在電壓區(qū)間[E,2E]內(nèi),高壓單元輸出電壓的等效開關(guān)頻率為其開關(guān)管實際工作頻率的兩倍,即高壓單元實現(xiàn)了倍頻調(diào)制,因此可以在較低的高壓單元開關(guān)頻率下提高輸出電壓的波形質(zhì)量,改善輸出電壓的諧波特性。