专利名称：一种中性点箝位h桥五电平高压变频器及其调制方法
技术领域：
本发明属于高压变频器的技术领域，具体地，涉及一种中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器及其调制方法。
背景技术：
多电平变频器越来越广泛地应用于轧钢、煤炭、铁路、船舶、水利等高压大功率传动领域，其电压变化率dv/dt小，输出电压电流谐波含量低，功率开关器件的耐压等级低。现有的中高压大功率变频器多采用三电平NPC拓扑结构，其输出相电压为三个电平级数。此外也有H桥级联型拓扑结构，通过级联可以得到不同的输出电压电平级数。空间电压矢量调制法(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)是多电平逆变器的一种脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制方法，多电平SVPWM的实现也有不同的方法。通常采用七段式SVPWM，但是该方法的缺点是:算法复杂，计算量大，需要特别考虑开关器件的散热问题。而且，在器件开关频率相同的情况下，该算法的逆变器等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种中性点箝位/H桥(NPC/H)五电平高压变频器及其调制方法，其在器件开关频率相同的情况下，逆变器等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高；而且可以拓展至任意电平级数的逆变器。为实现上述目的，本发明提供了一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述五电平NPC/H-桥单元包括直流侧电源和逆变电路，其中，所述直流侧电源由输入侧移相变压器、整流器和直流侧电容构成，所述逆变电路由两个NPC桥臂构成H桥，每个NPC桥臂由四个IGBT和两个二级管构成。根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述控制器包括FPGA和DSP。进一步地，根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，所述DSP用于算法运算，所述FPGA用于产生脉冲触发所述五电平NPC/H-桥单元中的IGBT。根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其中，每个脉冲驱动板用于触发所述五电平NPC/H-桥单元中的两个IGBT。另外，本发明还提供了一种基于上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其包括以下步骤:步骤一、选择下一首发状态:对于任意的开关状态[Sa，Sb，S。]，定义其开关状态值S为:
权利要求
1.一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特点在于，包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。
2.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述五电平NPC/H-桥单元包括直流侧电源和逆变电路，其中，所述直流侧电源由输入侧移相变压器、整流器和直流侧电容构成，所述逆变电路由两个NPC桥臂构成H桥，每个NPC桥臂由四个IGBT和两个二级管构成。
3.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述控制器包括FPGA和DSP。
4.根据权利要求3所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，所述DSP用于算法运算，所述FPGA用于产生脉冲触发所述五电平NPC/H-桥单元中的IGBT。
5.根据权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器，其特征在于，每个脉冲驱动板用于触发所述五电平NPC/H-桥单元中的两个IGBT。
6.一种基于权利要求1所述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、选择下一首发状态: 对于任意的开关状态[sa，Sb, SJ，定义其开关状态值S为: S=Zsi /=a,b,c 此外，定义两个参数来描述开关顺序的变化，开关状态变化总量△ S和单相开关状态变化值δS: Δ5= Σ 5 -^ι /=a,b,c SS = max I S'n -S；31 r=a,b,c 然后，根据以下原则得出第二个开关顺序的首发状态: 1)找出下一个三角形中具有最小开关状态变化总量AS的所有开关状态，如果含有多于一个状态，那么进行下一步； 2)选择具有最小的单相开关状态变化值SS的开关状态，如果还有多余状态，那么进行下一步； 3)选择具有最小开关状态值S的首发状态完成算法； 步骤二、设计开关顺序: 对于每个扇区中的16个三角形，将每个三角形中的各个开关状态值根据降序依次标号为①至⑤，同一个三角形中的状态值为连续的整数；根据开关顺序产生规律表，含有圆点和箭头的直线表示开关顺序，圆点位置则表示首发状态；开关顺序根据首发状态得出，含有箭头的直线经过3个开关状态，形成三段式开关顺序，每个扇区中的三角形含有5种开关顺序，并且根据首发状态选择其中的I种作为开关顺序； 步骤三、开关顺序解码: 利用解码表将数字编码转换成驱动信号，其中，解码表为5种可能的数字编码_2，-1,O, I和2，进而产生门极驱动信号；数字编码I和-1对应着两种不同的电路状态，数字编码O对应着三种不同的电路状态。
7.根据上述的中性点箝位/H桥五电平高压变频器的三段式空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，步骤二中，开关顺序设计的约束条件为:开关状态的改变仅仅涉及一个桥臂的两个开关器件，即一个 器件导通，另一个器件截止。
全文摘要
本发明公开了一种中性点箝位/H桥五电平高压变频器及其调制方法，该变频器包括预充电电路、18路脉冲变压器、整流桥、3个五电平NPC/H-桥单元、12块脉冲驱动板和控制板；其中，所述预充电电路经所述18路脉冲变压器和所述整流桥分别与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接，所述控制板通过所述12块脉冲驱动板与所述3个五电平NPC/H-桥单元连接。本发明克服现有空间矢量脉宽调制算法，等效开关频率低，输出电压谐波含量高，器件开关损耗高的不足，提供了一种实用的五电平高压变频器。
文档编号H02M7/487GK103151946SQ20131009968
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者姜建国, 潘庆山, 刘贺, 罗*, 徐亚军, 乔树通 申请人:上海交通大学