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基于H橋級聯(lián)型逆變器PWM控制策略的研究
摘要: 在大功率高壓變頻器技術中,PWM控制技術是其核心技術之一,一個良好的PWM控制策略是產(chǎn)品性能的保證,在本文中主要針對H橋級聯(lián)型大功率高壓變頻器的PWM控制方式進行了探討,給出了三種實現(xiàn)方式,并針對其實現(xiàn)的方法及性能進行了分析和比較。
Abstract:
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1 引言

H橋" title="H橋">H橋級聯(lián)型多電平變換器采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實現(xiàn)高壓輸出,其輸出多采用多電平移相式PWM" title="PWM">PWM控制方式,以實現(xiàn)較低的輸出電壓諧波,較小的dv/dt和共模電壓及較小的轉矩脈動。為實現(xiàn)高壓,只需簡單的增加單元數(shù)即可,該種實現(xiàn)方式的技術難度小。每個功率單元都是分離的直流電源,之間是彼此獨立的,對一個單元的控制不會影響其他單元。H橋級聯(lián)型逆變器" title="逆變器">逆變器與單橋逆變器的實現(xiàn)方式主要區(qū)別在于PWM的控制方式上,本文對H橋級聯(lián)型逆變器的PWM控制方式進行探討。

2 H橋級聯(lián)型逆變器結構

每個功率單元都是一個獨立的直流電源,其設計方式如下圖1所示:
 

圖1 功率單元結構框圖


根據(jù)上圖對功率單元的描述可知,此種實現(xiàn)方式的功率單元可以產(chǎn)生三種電平,即+Udc、0、-Udc。當S1和S4導通,S2和S3關閉時,負載得到電壓+Udc;當S2和S3導通,S1和S4關閉時,負載得到電壓-Udc;當S1和S3(或S2和S4)導通,S2和S4(或S1和S3)關閉時,負載得到電壓0(注意:在控制的過程中,要嚴格避免同一橋臂兩功率器件同時導通,即同一橋臂的兩路控制信號要求是反向的)。因此可見,當使用不同的PWM控制策略,便可以產(chǎn)生不同的PWM波形。

3 載波移相控制理論

一般來說,N電平的逆變器調(diào)制,需要N-1個三角載波。載波移相調(diào)制法中,所有三角波均具有相同的頻率和幅值,但是任意兩個相鄰載波的相位要有一定的相移,其值為
 

 

調(diào)制信號通常為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的三相正弦信號。通過調(diào)制波和載波的比較,可以產(chǎn)生所需要的開關器件的驅動信號[1]。

4 PWM控制策略

變頻器通常以正弦波的方式輸出,對于單相橋而言,其輸出通??煞譃閱螛O性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式(限于篇幅,具體實現(xiàn)方式見參考文獻)。而基于H橋方式的逆變器,同樣也可以輸出類似于單相橋輸出的波形,其PWM控制策略應稍作調(diào)整。單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式輸出的波形在性能上有所區(qū)別,由于單極性調(diào)制可以輸出三個電平,而雙極性調(diào)制只能輸出兩個電平,因此雙極性調(diào)制的dv/dt較大,對電機絕緣沖擊大。在產(chǎn)品設計過程中,通常采用單極性調(diào)制波形作為最終的輸出波形。本文以H橋級聯(lián)型逆變器的結構和采用載波移相法產(chǎn)生的SPWM作為各功率單元的控制信號為基礎,來實現(xiàn)單極性SPWM波形的輸出。下面對幾種PWM控制策略進行探討和研究:

1)單橋臂斬波:所謂的單橋臂斬波法即是S1和S2作為半周期控制信號,當正半周期時S1導通,S2關閉;當負半周期時S1關閉,S2導通;S3的控制信號為SPWM信號,
 

圖2 S3的控制信號波形

圖3 S1的控制信號波形

圖4 功率單元輸出波形

S4的控制信號與S3的控制信號相反。通過這樣的控制,便可以輸出如圖4所示的波形,雖然其輸出波形與單相橋的單極性調(diào)制輸出的波形類似,dv/dt較小,但是這個方式導致兩橋臂的功率不均衡。

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