CPS―SPWM调制方法在H桥多电平变流器中的应用

　　随着大功率自关断器件和智能高速微控制芯片的不断发展，大功率电力电子变流装置得到了越来越深入的研究，在大容量电机驱动、交直流电力传输等场合的应用范围也越来越广泛了。在大功率电力电子变流装置的实现上，一个重要的问题就是大功率器件的工作频率较低，无法适应PWM技术等优秀的调制技术。载波移相正弦波脉宽调制技术（Carrier phase-shifted SPWM，以下简称CPS-SPWM）是为了解决该问题而提出的新技术。

　　田纳西大学的Peng F.Z.等人于1996年提出了级联H桥型变流器的拓扑结构，并用于无功补偿［1］。级联H桥变流器主电路拓扑结构如图1所示，由N个单相全桥模块在交流侧串联构成一相桥臂对，直流侧相互独立，如图1（a）所示。由3个桥臂对通过Y型或者△连接构成三相系统，如图1（b）所示便为Y型接法示意图。相对于二极管钳位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，这种级联H桥型变流器具有如下优点：

　　1）各变流器单元结构相同，容易实现模块化设计、安装、维修；

　　2）直流侧相互独立，电压均衡容易实现；

　　3）各变流器单元工作对称，开关负荷平衡。

　　

　　在电压型变换电路中．输出的交流电压为矩形波。早期常用多重化技术把几个矩形波输出组合成逼近正弦波的波形。以提高容量、减小谐波对于Lx个三相变流电路单元（每个单元三相，此处用Lx表示多重化中三相变流器的单元数，以和下面N表示H桥的单元数区分，本文以每3-H桥为一个单元），将其输出波形的相位各错开π／（3Lx），连同抵消它们之间相位差的变压器（移相变压器），可以构成脉波数为6Lx、的变流器系统。输出波形中包含6kLx±1（k为正整数）次的谐波。但多重化技术存在以下不足：结构复杂，系统动态响应差；各装置输入／输出波形须错开一定的相位，造成基波损失。

　　多电平组合变流器是采用CPS—SPWM技术和多重化技术相结合的变流器。该类变流器等效开关频率高、开关损耗小、动态响应快、通频带宽，便于采用不同的控制策略。H桥型拓扑在多电平变流器的基本拓扑中，具有结构简单、需要最少数量的器件、不需要大量的钳位二极管和飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点。本文介绍H桥的几种基本结构及其级联形式，并以级联3-H桥为例．用TMS3201LF2407 DSP发出控制三相单模块和单相两模块H桥的脉冲信号，使之分别输出三相三电平和单相五电平。频谱分析表明只含有开关整倍次及其边带谐波，和理论分析的完全一致。

　　1 H桥拓扑结构

　　H桥多电平变流器的基本结构有两种：一种为三电平H桥（3-LeveL H-hridge．3-H），另一种为五电平H桥（5-LeveL H-bridge，5-H）。其中，五电平H桥又包括二极管钳位型和电容钳位型两种。3-H桥变流器的基本单元如图1所示，这个基本单元可产生3电平输出：同时导通S1和S3或S2和S4，就可在两桥臂间产生极性相反的电平；当同时导通S1和S2或S3和S4时．则输出零电平。

　　

　　5-H桥变流器的基本单元如图2所示．以一极管钳位型为例来说明其电平生成情况、图2（a）所示5-H单元由全桥式中点钳位式电路组成，适当改变逆变器中晶体管的开关状态，a点和n点可跟d0，d1和d2相连。假设直流侧电压Vdc为2E，电容上的电压为Vdc／2。5-H桥基本单元输出电压Van可以有五种不同的取值：-2E，-E，0，E和2E。在这个拓扑中，电容上的电压可以通过对冗余状态的选择保持平衡。

　

　　以图1及图2中的基本电路单元为基础，可以得到图3所示的级联3-H变流器和图4所示级联5-H变流器。由3一H级联而成的电压型变频器已由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。根据系统对输出电压，电平数的要求可决定级联的单元数。级联3-H桥型变流器有很多优点：获得同样电平数输出时，使用的元器件最少；每个变流器单元的结构相同，容易进行模块化设汁和封装；各变流器单元之间相对独立，容易引入软开关控制；直流侧的均压比较容易实现；各变流器单元的工作负荷一致等。对于级联3-H变流器，级联单元数N（每个3-H变流器为一个单元）和输出波形电平数W之间满足W=2N+l的关系；级联5-H变流器对应关系为：W=4N+l。以上各变流器单元的独立直流源电压值相同。故若将各独立电压源的电压值分别取为E、2E、4E……2N-1E，则其输出的电平数就大幅度地增加到2N+1一l，即得到所谓的改进的级联H桥型多电平变流器（Modified Cascade否H-bridgeMultilevel Converter）。但此种拓扑导通器件数增多，开关损耗加大，电路整体效率下降，调制策略变得复杂，因而仍在探索阶段。

　

　　

　　2 载波相移SPWM（CPS-SPWM）调制原理

　　相移SPWM调制技术的基本思想是：在变流器单元数为N的电压型SPWM组合装置中，各变流器单元采用共同的调制波信号sm，其频率为fm。各变流器单元的三角载波频率为fc，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1／（2N），即三角载波Trl（1）、Trl（2）、Trl（3）……Trl（2N）的相位依次相差Tc／（2N）（式中Tc=l／fc）．以变流器单元数N等于4为例如图5（a）所示。各模块输出如图5（b）所示．每个模块的输出都是两个三角波与调制波相交产生的PWM信号的叠加．是三逻辑信号叠加后输出如图5（c）所示。2N个三角波Tri（i=1．2．3……2N）在整个调制波周期内均匀分布，所以，从输出频谱看，N个单元构成的级联型变流器等效为2N单元的相移SPWM组合变流器，输出为（2N+1）电平的PWM信号。其频域模型为

　

　　式中除以下成分外均为零：

　　1）信号输出f=fm

　

　

　　由此可见，采用载波相移方式的N单元变流器输出信号电压提高N倍．呈线性放大；等效开关频率提高2N倍。

　　3 实验

　　采用CPS—SPWM调制方法的级联型H桥变流器，能够在不使用变压器的情况下，在较低的器件开关频率下实现高载波频率的效果。本文以3-H桥为例进行实验，对于N单元级联型3-H桥，产生（2N+1）电平的输出，需要4N个开关管，即4N路PWM信号：由3N个单元级联型3-H桥模块组成的三相变流器产生三相（2N+1）电平，需要12N个开关管，12N路PWM信号。目前流行的控制器TMS320LF2407 DSP是Tl公司专为数字电机控制而设计的新一代数字处理器，2407在一块芯片上集成了两个事件管理器，共可以产生6对互补的PWM信号，可用于三相单模块的三电平输出，或单相五电平输出。实验输出波形如图6及图8所示。频谱分布如图7及图9所示。

　　

　　

　　

　　

　　结语

　　频谱分析（图7，图9）表明，对于三相三电平谐波畸变率THD=O.6005，采用CPS—SPWM调制方法输出五电平的谐波畸变率降到THD=0.2911。同时由频谱图显然可见，输出波形中只含有Nf次及其边带谐波（其中N为变流器单元数，f为单个开关频率）即变流器的等效开关频率提高到了N倍。当级联的模块数增加时，输出波形的谐波会成比例地向高次移动，从而使得总的谐波畸变率大幅度降低，因而使得CPS—SPWM技术应用到H桥拓扑中在大功率方面有广阔的应用前景。