专利名称：单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的半周期控制方法
技术领域：
本发明涉及一种单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制技术领域。
背景技术：
随着社会的发展，高压大容量逆变器的应用越来越广泛，并且随着输入电压等级 的不断提高，传统两电平的局限性越来越明显，首先受到电力电子器件耐压的限制，另外 EMI大、输出电压谐波含量大等。为了解决这一问题，多电平逆变器应运而生，其中二极管箝 位型多电平逆变器因其控制和拓扑简单而应用广泛。其控制方法也多种多样，但是这些控 制方法应用于桥式电路时，均需要加入死区，死区时间的加入使得桥臂输出电压不再是理 想的SPWM波，进而会产生波形畸变，并会造成一定的基波损失，低次谐波含量增加等一系 列死区效应问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对五电平二极管箝位型半桥逆变器现有的控制技 术存在的缺陷提出一种半周期控制策略，可以消除死区效应问题。半周期控制方法模式方法的特征在于电流大于零时，只控制上桥臂的开关管Sp s2、s3和s4，给下桥臂半个周期关断信号；在电流小于零时，只控制下桥臂的开关管s5、s6、s7 和s8，给上桥臂半个周期关断信号，可以实现输出五电平的同时不存在死区效应的问题。半 周期控制模式在控制中加入了输出电感电流的极性这一控制参数，在输出某个电平时，根 据当前的电感电流极性来选择开关状态，从而关断了一些不必要的开关管，实现了无死区 工作。本发明采用PWM控制的实现方法，属于恒频控制，桥臂输出谐波频谱分布规律，可 以更方便的设计输出低通滤波器。
图1 二极管箝位型五电平半桥逆变器主电路拓扑原理图；图2 二极管箝位型五电平半桥逆变电路的桥臂输出电压\和经滤波器滤波得到 的输出电压V。波形；图3 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器输出滤波电感电流 大于零(I > 0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；图4:本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器输出滤波电感电流 小于零(I < 0)时的各开关状态对应的各开关模态示意图；图5 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器的五电平多载波原 理图及多调制波原理图；图6 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制框图；图7 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器电感电流过零时电流的波形示意图；图8 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器带两种不同负载情 况下功率管的驱动信号波形；图9 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器电感电流由正过零 变负模态分析示意图；图10 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器运行时的无死区实 现策略；图11 本发明半周期PWM控制二极管箝位型五电平半桥逆变器在之间加 入死区时间后的电流过零情况分析；图12 本发明半周期PWM控制的五电平半桥在两种不同负载情况下仿真实验波形。图中的主要符号名称Udl、Ud2、Ud3、Ud4—分别为第一直流电源、第二直流电源、第 三直流电源、第四直流电源，Si S8---分别为第一功率开关管 第八功率开关管，L--输 出滤波电感，Cf—输出滤波电容，DS1 DS8—分别为第一寄生体二极管 第八寄生体二 极管，iL—输出滤波电感电流，ur—三角载波，v。一输出电压，vof—采样的输出电压，
基准正弦波电压，ue—电压环输出电压并作为输出电感电流的基准，VA—桥臂输 出电压，R-—负载，us—基准正弦波电压，url —四个三角载波，gSl-—第一功率开 关管的驱动波形，gs2--第二功率开关管驱动波形，gs3--第三功率开关管的驱动波形， gs4—第四功率开关管驱动波形，gs5--第五功率开关管驱动波形，gs6--第六功率开关 管驱动波形，\---Ml或M7的持续时间，S2---54、55之间加入的死区时间，、、、一电流 由正变负的两种可能时刻。
具体实施例方式如图2所示，半桥桥臂输出电压\和经滤波器滤波得到的输出电压V。波形，其中 桥臂输出五个电平“+2Ud”、“+Ud”、“0”、“-Ud”和“-2Ud” (以第二直流电压源阴极为参考 点)。当输出电压v。> 0时，半桥桥臂输出电平“0”、“+Ud”之间切换(a区)或者电平“+Ud”、 “+2Ud”之间切换(b区)；当输出电压v。<0时，半桥桥臂输出电平“0”、“-Ud”之间切换(c 区)或者电平“-Ud”、“_2Ud”之间切换(d区)。输出“+2U,电平，iL > 0时，如图3(f)，上半桥臂所有功率开关管导通，即S” S2、 S3和S4同时导通，电流从Udl阳极流出，经过31、52、53、54、输出滤波电感和滤波电容流入Ud2 的阴极；iL < 0，如图4(c)，所有功率开关管关断，电流经过Ds4、DS3、DS2和DS1，流入Udl的阳 极。输出“+Ud”电平，k > 0时，如图3(e)，S2、S3和S4导通，电流从Ud2阳极流出，经过 Di、S2、S3和S4和输出滤波电感和滤波电容流入Ud2的阴极；k < 0，如图4(b)，S5开通，电流 经过S5、D12、D8和D2，流入Ud2的阳极。输出“0”电平，、>0，如图3(a)和3 (d)，S3和S4开通，电流在D3、D7、S3、S4和输 出滤波器之间续流小< 0，如图4 (a)和4 (d)，S5和S6开通，电流在S5、S6、D10和D4和输出 滤波器之间续流。输出“_Ud”电平，k > 0，如图3 (b)，S4开通，电流从Ud3的阴极流出，经过D5、D9、Dn和S4流向滤波电感小< 0，如图4 (e)，S5、S6和S7开通，电流经过S5、S6、S7和D6流入Ud3的 阴极。输出“-2U/’电平，iL > 0，如图3(c)，所有功率开关管关断，电流从Ud4的阴极流出， 经过DS8、DS7、DS6和DS5流向滤波电感火< 0，如图4(f)，S5、S6、S7和S8开通，电感电流从输 出滤波器经S5、s6、s7和s8流入ud4的阴极。表1为以上十个工作模态(记为Ml M10)半周期运行时的工作模态分配表，其 中OFF表示器件关断，ON表示器件导通。图5为载波交截PWM实现的基本原理图，将正弦调制波(us)与四个三角载波(uri、 ur2、ur3、ur4)比较，当us > ur4时，半桥输出电平“+2Ud”，当ur3 < us < ur4时，半桥输出“+U, 电平，当ur2 <us< ur3时，半桥输出“0”电平，当ur2 <us< ur3时，半桥输出“_Ud”电平，当 us < url时，半桥输出“-2U,电平。图6为实现半周期的工作模式，该半周期控制的二极管箝位型五电平半桥逆变器 采用的控制方案，将采样的输出电压(V。)与给定的基准正弦波电压00经电压调节器后得 到电压环输出电压00，该信号即作为电流环的基准。将电流基准00与采样的电感电流 (iL)经电流调节器后得到正弦调制波(us)。将电流基准00和正弦调制波(us)各自通过 过零比较器分别得到输出电感电流的极性和输出电压的极性。将正弦调制波(us)与四个 载波比较得到当前需要输出的电平，根据当前电流基准的极性得到输出电感电流的极性， 再结合表一可以唯一确定当前的工作模态。最后将得到的半桥输出五电平电压经低通滤波 器后输出正弦波电压。表1半周期运行时的工作模态分配表 图7为电流过零时电感电流的波形示意图。在lU艮小时，电感电流下降到零后， 由于仍未给下桥臂的功率管驱动，所以在该周期结束前会一直维持在零，即进入断续状态，直到下个周期开始，电感电流从零开始上升。当I过零后，电流的工作状态也会如此，出现 几个周期的断续情况。图8为在两种不同负载情况下功率管的驱动信号波形，以电流由正过零变负为 例，uel负载时，在过零前的b区，Si、S2、&和S4同时导通，过零后仍处于b区，无开关管导 通，不会出现直通的问题。负载u62时，在过零前的a区，^3和、同时导通，过零后仍处 于a区，、导通，不会出现直通的问题。同样可以分析在电流由负过零变正的情况，不需要 加入死区时间。但由于本方案采用恒频控制，在当前模态运行结束后立刻运行下一个模态，考虑 到各模态运行的时间，如图9 (a)中所示，若M4与M6之间的Ml运行的时间持续得过短， 则M4模态中S2还未来得及完全关断，M6模态中的S6就开通了，这样就会存在S2、S3、S4、S5 和&之间的直通问题。同样在图9(b)中，若M4与M6之间的M7运行的时间S :持续得过 短，则M4模态中S2还未来得及完全关断，M6模态中的S6就开通了，这样也会存在S2、S3、S4、 &和S6之间的直通问题。为了避免直通，必须在驱动电路中加入死区时间。本发明的半周期控制方案，只需采用如图10的解决措施，即在、和S5之间加入死 区。因为是半周期控制，在一个输出正弦波周期中只需要加入两次死区时间即可解决桥臂 的直通问题，对于一个输出周期来说，由于死区时间引起的死区效应问题可以忽略，从而消 除了传统控制方案中死区效应的问题。在s4和s5之间加入死区时间后的电流过零情况分 析如图11。
权利要求
应用于单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的半周期PWM控制方法，其特征在于，在电流大于零时，只控制上桥臂的开关管S1、S2、S3和S4，给下桥臂半个周期关断信号；在电流小于零时，只控制下桥臂的开关管S5、S6、S7和S8，给上桥臂半个周期关断信号，在半周期控制逻辑中，利用输出电流极性这一参数，可以关断一些不必要的开通信号，实现无死区运行，半桥输出五个电平“+2Ud”、“+Ud”、“0”、“-Ud”和“-2Ud”(以第二直流电压源阴极为参考点)，其控制方法特征在于(1)输出“+2Ud”电平时，iL＞0，上半桥臂所有功率开关管导通，即第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)同时导通，电流从第一直流电源(Ud1)阳极流出，经过第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、输出滤波电感和滤波电容流入第二直流电源(Ud2)的阴极；iL＜0，所有功率开关管关断，电流经过第四寄生二极管(DS4)、第三寄生二极管(DS3)、第二寄生二极管(DS2)和第一寄生二极管(DS1)，流入第一直流电源(Ud1)的阳极；(2)输出“+Ud”电平时，iL＞0，第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)导通，电流从第二直流电源(Ud2)阳极流出，经过第一箝位二极管(D1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)和输出滤波电感和滤波电容流入第二直流电源(Ud2)的阴极；iL＜0，第五功率开关管(S5)开通，电流经过第五功率开关管(S5)、第十二箝位二极管(D12)、第八箝位二极管(D8)和第二箝位二极管(D2)，流入第二直流电源(Ud2)的阳极；(3)输出“0”电平，iL＞0，第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)开通，电流在第三箝位二极管(D3)、第七箝位二极管(D7)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)和输出滤波器之间续流；iL＜0，第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)开通，电流在第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第十箝位二极管(D10)、第四箝位二极管(D4)和输出滤波器之间续流；(4)输出“-Ud”电平，iL＞0，第四功率开关管(S4)开通，电流从第三直流电压源(Ud3)的阴极流出，经过第五箝位二极管(D5)、第九箝位二极管(D9)、第十一箝位二极管(D11)和第四功率开关管(S4)流向滤波电感；iL＜0，第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)和第七功率开关管(S7)开通，电流经过第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第七功率开关管(S7)和第六箝位二极管(D6)流入第三直流电压源(Ud3)的阴极；(5)输出“-2Ud”电平，iL＞0，所有功率开关管关断，电流从第四直流电压源(Ud4)的阴极流出，经过第八寄生二极管(DS8)、第七寄生二极管(DS7)、第六寄生二极管(DS6)、第五寄生二极管(DS5)流向滤波电感；iL＜0，第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第七功率开关管(S7)和第八功率开关管(S8)开通，电感电流从输出滤波器经第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第七功率开关管(S7)和第八功率开关管(S8)流入第四直流电压源(Ud4)的阴极。
2.根据权利要求1所述的五电平半桥逆变器的半周期PWM控制的单相二极管箝位型五 电平半桥逆变器方案，其特征为将采样的输出电压(v。f)与给定的基准正弦波电压(vref)经 电压调节器后得到电压环输出电压00，该信号即作为电流环的基准，将电流基准(u6)和 采样的电感电流(ij经电流调节器后得到调制波(us)，以电流基准00的极性来判断输出 电感电流的极性，同时调制波(us)与四个三角载波比较来得到当前需要输出的电平，这样便可唯一确定当前开关管的开关状态，半桥输出的五电平电压经输出低通滤波器后在负载 上得到正弦波输出电压。
全文摘要
本发明公布了一种对单相二极管箝位型五电平半桥逆变器的控制方法。单相二极管箝位型五电平半桥逆变器由电源电路(1)、带箝位二极管的半桥桥臂及滤波电路(2)、输出电路(3)依次连接组成，半桥输出的五电平电压经输出滤波器L和C滤波后给负载R供电。该控制方法的基本思想是在电流大于零时，只控制上桥臂的开关管S1、S2、S3和S4，给下桥臂半个周期关断信号，在电流小于零时，只控制上桥臂的开关管S5、S6、S7和S8，给上桥臂半个周期关断信号。本发明的半周期PWM控制方法，解决了五电平桥式逆变器PWM控制中加入死区带来的死区效应问题。
文档编号H02M7/48GK101860244SQ20101014251
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者王慧贞, 邹萍萍, 陈小刚 申请人:南京航空航天大学