用于串联式多电平逆变器的PWM控制方法

摘要

本发明公开了一种用于串联式多电平逆变器的损耗优化PWM控制方法，该方法利用一控制波与一载波调制后形成调制波，所述调制波通过一串联式多电平逆变器后产生PWM控制波形，所述控制波在一个周期内包括固定值区域，并且该固定值大于所述载波的幅值。本发明的损耗优化PWM控制方法，可最大化减少开关损耗，并且，通过三相控制波(参考波)的相互配合，形成了零序分量的叠加，从而提高了电压利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子和电机控制领域，具体地说，涉及一种用于串联式多电平逆变器的PWM控制方法。

背景技术

PWM控制，即脉冲宽度调制控制技术，它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。电力电子领域中，PWM控制在逆变电路中的应用最为广泛，而在高压大容量的场合，为降低功率管的开关损耗，往往是PWM控制与串联式的逆变器配合应用，以使开关频率降低到1kHz～2kHz之间。在级联式逆变器中，目前普遍采用的PWM控制算法是，在标准正弦波的基础上形成控制波(参考波)，这种波形又称为鞍形波，并由移相式三角波形成载波；控制波(参考波)和载波之间进行比较生成PWM控制信号。叠加三次谐波的目的是提高电压的利用率，并且，可利用级联式逆变器输出三相三线的特点，消除三次谐波在输出负载上的影响。载波移相的目的是降低输出的电压变化率、提高谐波性能以及保证各个功率单元的功率一致。

如图1、图2、图3所示分别为控制波(参考波)、载波和PWM输出的波形，其中载波为五级串联的三角载波。

采用叠加三次谐波的PWM算法，其不足之处在于，当因为开关损耗较大使得散热器温度不能满足要求时，只能降低载波频率来降低开关损耗，而降低载波频率，则必然降低输出谐波性能。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种新的适用于串联式多电平逆变器的PWM控制方法，以克服传统的PWM控制方法中存在的诸如开关损耗大等问题。

本发明的用于串联式多电平逆变器的损耗优化PWM控制方法，主要是利用一三相控制波(参考波)通过一载波，获得PWM控制波形，其中，通过调整控制波(参考波)的波幅，使该控制波的固定区域为大于所述载波幅值的确定值，并且，该三相控制波(参考波)任两项的差值为正弦波。

该损耗优化的PWM控制方法的载波采用三角波移相的方式，移相的角度(折算到时间)当采用双极性调制时为Ts/2N，当采用单极性调制时为Ts/N，其中，Ts为三角载波的周期，N为每相串联单元数。

本发明的损耗优化PWM控制方法，可最大化减少开关损耗，并且，通过三相控制波(参考波)的相互配合，形成了零序分量的叠加，从而提高了电压利用率。

附图说明

图1是叠加三次谐波的控制波(参考波)波形示意图；

图2是五级串联的三角载波示意图；

图3是级联式变频器输出相电压PWM波形示意图；

图4是本发明的控制波(参考波)的波形示意图；

图5是本发明的控制波(参考波)以及载波发生、调制示意图；

图6是本发明应用在单元串联式逆变器功能示意图；

图7是利用本发明的方法产生的损耗优化的PWM输出波形图(五级串联)；

图8是利用本发明的方法产生的损耗优化的PWM输出线电压波形图。

具体实施方式

本发明的损耗优化的PWM控制方法，首先是采用三相的叠加波作为控制波(参考波)，其中叠加波分别由正弦波叠加零序分量构成，并且任意两相叠加波的差值均为标准的正弦波，在该控制波的一定区间内，形成一个固定值区域，该固定值的大小大于该控制波(参考波)的载波的幅值，所以，在这个固定值区域内，没有PWM波形产生，也就是说，没有开关动作，所以不会形成开关损耗。

如表1所示为本发明一种优选的控制波产生方法表：

表1：串联式多电平逆变器的损耗优化PWM控制算法表

上表中，U_REF-U，U_REF-V，U_REF-W代表U/V/W相参考波(控制波)；SIN(U)，SIN(V)，SIN(W)代表三相标准正弦波。K值为大于1的正数，通常取1.10～1.2之间的值，M的取值在0～1.23之间。

其波形图如图4所示。由图可知，一个周期内，在60度-120度以及240-300度区间内，形成一个固定值区域，这个固定值的大小大于载波的幅值(假设其幅值为1)，并且，任何时刻、任何两相之间的差值是标准的正弦波，既该控制波(参考波)保证了经过PWM控制调制后，输出的线电压为标准的正弦波。

而本发明的PWM控制所用载波为多级的三角波移相方式，移相的角度(折算到时间)根据PWM调制的双极性和单极性有所不同，当采用双极性调制时为Ts/2N，当采用单极性调制时为Ts/N，其中，Ts为三角载波的周期，N为每相串联单元数。

如图5、图6所示，经过信号发生装置，可产生所需的具有上述性质的三相控制波以及载波，该信号发生装置可以由MCU、DSP或可编程芯片组成。三相控制波以及载波经调制电路调制后，输出三相的调制波A、B、C。调制波经过功率单元后，输出所需要的波形。载波的级数由多级逆变器的极联数确定，在如图6所示的实施例中，串联式逆变器的每相级联数为5，所以多重载波的级数也应该为5，当然，逆变器的每相级连数也可以为3或大于3的合适数量。

如图7所示，本发明的损耗优化PWM控制方法的控制波(参考波)在一个周期(360度电角度)中，分别在60度-120度和240度-300度区间内，形成一个固定值区域，这个固定值的大小大于载波的幅值，所以在这个固定值区域内，没有PWM波形产生，也就是说，没有开关动作，所以不会形成开关损耗。

同时，本发明的损耗优化PWM控制算法通过三相控制波(参考波)的相互配合，形成了零序分量的叠加，从而提高了电压利用率。另外，如图8所示，本发明的损耗优化PWM控制算法的三相控制波(参考波)，在任何时刻、任何两相之间的差值是标准的正弦波，即保证输出线电压为标准正弦波。