...DSP的三电平逆变器SVPWM调制研究

李子颢

摘 要： 特殊逆变器工作频率为数kHz，通常采用脉冲法控制策略，输出波形特性差。针对传统特殊逆变器缺点，提出阶梯波调制方法。介绍特殊逆变器的拓扑结构，分析了基于阶梯波调制的特殊逆变器的基本原理，研究了阶梯调制算法。该特殊逆变器拓扑结构简单、开关器件开断损耗小、整机效率高，具有良好的谐波抑制能力。建立仿真模型，并进行分析，得出仿真结果。从仿真结果可以看出，采用阶梯波调制算法的特殊逆变器输出波形特性好，谐波含量低。

关键词： 特殊逆变器； 阶梯波； 拓扑； 谐波

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）11?0140?03

Research on modulation technology for special inverter

LI Zi?hao

（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development Limited Company， Beijing 100141， China）

Abstract： Since the operating frequency of special inverter is several kilohertz， the pulse modulation method is usually adopted， and its output waveform feature is bad， the step wave modulation method is proposed. In this paper， the topological structure of special inverter is introduced， the basic principle of special inverter based on the step wave modulation is analyzed， and the step wave modulation algorithm is studied. The advantages of the special inverter are simple topological structure， low switching loss， high efficiency of the whole machine， and good harmonic suppression ability. The simulation model was established and analyzed， and simulation results were obtained. The simulation results show that the special inverter with step wave modulation algorithm has good output waveform characteristic and low harmonic content.

Keywords： special inverter； step wave； topology； harmonic

0 引 言

传统意义上的普通逆变器主要用来把直流转化为普通工频交流电，工作频率基本集中在工频频段，特殊逆变器是一种应用于通信的高压大功率逆变器，工作频段可达数kHz，是一种特殊的级联型逆变器。H桥级联型逆变器具有多电平逆变器的许多优点，在电机驱动、大功率有源滤波等领域应用极为广泛[1?7]，H桥级联逆变器有很多种方法被提出[8?9]，如多载波正弦脉宽调制法等。然而，提高逆变器效率、消除或降低高次谐波成分仍然是控制方法的重要内容[10]。

特殊逆变器传统的调制方法为脉冲法，采用此种方法的特殊逆变器为拓扑结构并联式结构，把每级输出的方波进行直接叠加，导致输出波形质量差，谐波大，功率越大，对周围环境辐射干扰就越大。针对上述缺点，提出阶梯波调制算法，采用此种方法的特殊逆变器的拓扑结构各级进行串联，该技术具有控制简单、高可靠性、高效率等优点[11?12]，可使逆变器输出电压更高，输出功率更大，在输出功率相同的情况下，更高的输出电压能降低电流的大小，从而可减小损耗，提高整机效率。

1 特殊逆变器基本结构与工作原理

1.1 基本结构

采用阶梯波调制算法的特殊逆变器由n个H桥单元模块串联组成，如图1所示，每个单元模块的结构相同，为单相桥式特殊DC/AC变换器，输入直流电压相等，即[UDCi=UDC。]

1.2 工作原理

对图1所示的单个H桥功率单元的开关器件D11，D12，D13，D14进行相应的控制，D11、D14导通输出正电压，D12、D13输出负电压，D11、D13或D12、D14导通输出电压为零，每个H桥功率单元可以得到3种不同的输出电压： +UDC，0，-UDC，如图2所示。

由图2可以看出，输出电压[vHI]是关于[12]周期对称的奇函数单脉冲，即[vHI（-ωt）=-vHI（πt），vHI（2π-ωt）=][-vHI（ωt），]正半周期内是[α1，α2]的正方波，负半周期内是[[2π-α2，2π-α1]]的负方波。这里的周期是指级联级数为[n]的输出电压为[VXg]的周期，脉冲数是指输出电压[vHI]半个周期的脉冲数。

特殊逆变器工作分为正半波工作过程和负半波工作过程，考虑到工作在阶梯波调制模式下的各H桥功率单元模块的功率均衡问题，使工作在阶梯波调制模式下的各单元模块在一个周期内工作时间一样或基本一样，可使1～n模块在正半波时按从1～n的顺序依次开通，而在负半波时按从n～1的顺序依次开通，如图3所示。

假设每个模块的输入电压为[UDC，]则采用阶梯波调制的特殊逆变器输出电压为：

[u0=iUDC]

式中[i]为任意时刻参与工作的功率单元模块数。

2 阶梯波调制法

工作在数kHz的特殊逆变器的传统调制方法为脉冲法，此种方法将每个H桥功率单元输出的方波波形进行直接叠加，每个H桥功率单元输出进行并联。下面主要介绍特殊逆变器一种新的调制方法?阶梯波调制法。

阶梯波调制方法是建立在特殊逆变器新的拓扑结构基础上新的调制方法。首先需要产生控制每个H桥功率单元输出三电平方波的控制信号，用来控制开关器件D11，D12，D13，D14的开通与关断，且控制信号具有周期性，从而控制H桥功率单元输出方波的频率。使每个H桥功率单元的控制信号之间具有可控的角度，因此，每个H桥功率单元输出的方波相互之间就形成了角度，依次错开叠加后，就形成了阶梯波。通过控制每个H桥功率单元输出方波的角度，使叠加后的阶梯波的谐波分量达到最优。下面以低次谐波最少为原则举例，说明阶梯波调制方法的具体实现。

图4、图5是按照低次谐波最少原则法产生阶梯波的原理图。图4中，[αA，][αB，][αC，][αD，][αE]分别是阶梯波同参考正弦波相交角度，且相交幅值分别是A，B，C，D，E，参考正弦波定义为[Zsinωt，]则有：

[αx=sin-1XZ， X=A，B，C，D，E]

图4中，[α1，][α2，][α3，][α4]分别是阶梯波开关角度，其算法是根据面积等效原则求取的，现以[α4]为例来推导其计算方法，其余级数角度可按类似原则求得。根据图5中阴影面积相等原则可求得[α4，]即：

[αBα4（Zsinωt-B）dωt-α4αA（A-Zsinωt）dωt=0αBα4Zsinωtdωt-α4αABdωt-α4αAAdωt+α4αAZsinωtdωt=0]

[Aα4-ZcosαA+Zcosα4=0?α4=AαA-BαB+cosαA-cosαBA-B]

又由于[αA=sin-1（AZ），αB=sin-1（BZ），]可推得：

[α4=Asin-1AZ-Bsin-1BZ+cossin-1AZ-cossin-1BZA-B]

同理可求得其他级数角度，这里的级数取n=4，则A，B，C，D，E的幅值分别为4UDC，3UDC，2UDC，UDC，0，参考正弦波为[4Vdcsinωt，]把它们分别代入上式，可以求得[α1，][α2，][α3，][α4，]分别为：[α1=7.14°，α2=22.08°，α3=38.54°，α4=67.48°。]

3 仿真及分析

阶梯波调制法以低次谐波最少为原则进行计算时，对特殊逆变器阶梯波波形进行频谱分析的结果如图6所示。

可以看出低次谐波比较低，尤其是三次谐波含量比较低，这点尤为重要，因为特殊逆变器的三次谐波对周围环境干扰最大，因此，阶梯波调制法对于特殊逆变器变得极具有意义。

4 结 语

通过对特殊逆变器的讨论，提出将阶梯波调制法应用到工作频率高达数kHz的特殊逆变器中，介绍了采用阶梯波调制法的特殊逆变器的基本结构和基本工作原理，研究了阶梯波调制算法，以低次谐波最少为原则进行了计算与仿真，仿真结果证明了阶梯波调制法应用到特殊逆变器的可行性，相对于采用脉冲法为调制方法的特殊逆变器而言，输出波形质量大大提高，谐波含量大大减少。采用阶梯波调制法的特殊逆变器还具有以下优点：简化的拓扑结构；由于各功率模块串联，可使输出电压很高，在输出功率不变的情况下，可降低特殊逆变器损耗，提高其效率；在使用阶梯波调制法时，考虑各种因素，对逆变器增加各种保护，从而提高其稳定性和可靠性。

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