用于多电平变换器的脉宽调制控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的方面涉及一种多电平功率变换器，具体涉及多电平变换器的脉宽调制控 制。
【背景技术】
[0002] 传统意义上，多电平变换器被用于中压AC驱动器、柔性AC传输系统（FACTS)、和高 压DC (HVDC)传输系统的应用中，这是因为单功率半导体装置不能处理高压。多电平变换器 通常包括用于每一相的多个功率单元（power cell)，每个功率单元包括具有半导体开关的 逆变电路，所述半导体开关能够改变各个单元的电压状态或者电平。根据所使用的逆变电 路的类型（例如，半桥或者全桥），每个功率单元可以具有一个或多个开关支路（leg)。通 过控制每个功率单元的各个开关支路的开关事件，可以控制每个单元上的电压，从而获得 具有多个离散的电压电平的AC输出波形。多电平变换器经常由输出电压波形中离散电平 的数目来描述。
[0003] 在某些应用中，可能期望使用脉宽调制（PffM)控制多电平变换器中的开关事件。 基于PffM的控制提供了几个益处，特别是减少在每个电平上的谐波谱。在PffM方法的核心， 多电平变换器通常使用相移三角载波。用于多电平变换器、特别是那些具有级联型H桥拓 扑的多电平变换器的传统方法是相移脉宽调制（PS-PffM)载波方法。在PS-PffM方法中，将 典型地是正弦波形的用于特定单元的参考信号与三角载波相比较，以便获得该单元第一开 关支路的开关实例（instance)。每个单元具有其自己的三角载波。在PS-PffM方法中，这些 载波被相移。将相同的参考正弦波形与倒三角载波相比较，以便获得相同单元的第二开关 支路的开关实例。
[0004] 但是，诸如上述的这些方法的传统方法不提供线-线（line-line)输出电压的最 优谱。输出电压的质量尤其在高输出电压频率上或者当变换器具有较少数目的电平时会恶 化。典型地，如果输出电压频率高并且变换器的电平数目减少时，显而易见的选择是增加开 关频率。但是，增加开关频率也会增加整体损耗。
【发明内容】
[0005] 简要地说，本发明的方面涉及一种多电平功率变换器。本发明的方面也涉及多电 平变换器的脉宽调制控制。
[0006] 本发明的第一方面提供一种用于控制多电平变换器的开关装置的方法。该方法 包括动态选择载波信号、以及基于所动态选择的载波信号与参考信号的比较产生脉宽调制 (PWM)信号，以引起开关装置的开关事件。从多个载波信号中动态选择所述载波信号。多个 载波信号中的每个载波信号都能够对应于完全占据了参考信号的波形范围的多个连续频 带之一。对应于不同频带的载波信号具有不同的波形形状。所动态选择的载波信号能够对 应于被参考信号瞬时占据的频带。只要存在参考信号从第一频带到第二频带的转变，就执 行所述动态选择，为第一频带和第二频带选择的载波信号依赖于参考信号在转变时的波形 的斜率。
[0007] 本发明的第二方面提供了一种用于产生多相AC电源的多电平变换器。多电平变 换器包括多个功率单元，用于向每一相供电，每个功率单元包括至少一个并入了半导体开 关的开关支路。多电平变换器还包括连接到每个功率单元的PWM控制器，用于通过控制每 个开关支路的开关事件来控制各个功率单元的电压输出。PWM控制器为单独的开关支路动 态选择载波，并且基于所动态选择的载波信号与参考信号的比较产生开关信号以引起用于 该单独的开关支路的开关事件。PWM控制器为该单独的开关支路从多个载波中执行所述载 波的动态选择。多个载波中的每个载波均能够对应于完全占据了参考信号的波形范围的多 个连续频带之一。对应于不同频带的载波具有不同的波形形状。所动态选择的载波能够对 应于被参考信号瞬时占据的频带。只要存在参考信号从第一频带到第二频带的转变，就执 行所述动态选择，为第一频带和第二频带选择的载波信号依赖于参考信号在转变时的波形 的斜率。
【附图说明】
[0008] 图1是图示根据第一示例实施例的具有三个单元/相的拓扑的级联型三相H桥多 电平变换器的示意图，
[0009] 图2A图示对于一个开关支路的相对于参考信号波形的载波布置的图形表示，其 中所有上升沿（ramp)是同步的，
[0010] 图2B图示根据本发明的示例性实施例的梯形载波波形的广义形状的图形表示，
[0011] 图3图示根据本发明的示例性实施例的、用于图2A的载波布置的调制指数m = 0. 9的脉冲和参考信号波形的图形表示，
[0012] 图4示出由于图3中所示脉冲的频带跨越（crossover)而导致的脉冲和参考的畸 变的图形表示，
[0013] 图5图示根据本发明的示例性实施例的对于一个开关支路的相对于参考信号波 形的载波布置的图形表示，其中所有下降斜坡是同步的，
[0014] 图6图示根据本发明的示例性实施例的、为具有三个单元/相的拓扑的级联型H 桥多电平变换器的每个开关支路的所有开关动态分配载波的有限状态机的示例的示意图，
[0015] 图7图示根据本发明的示例性实施例的、基于提出的用于具有三个单元/相的拓 扑的级联型H桥多电平变换器的载波分配方法的状态转变的示意图，
[0016] 图8示出了根据本发明的示例性实施例的、对于连续参考使用提出的载波分配方 法而获得的脉冲的图形表示，
[0017] 图9示出了根据本发明的示例性实施例的、对于采样的参考使用提出的载波分配 方法而获得的脉冲的图形表示，
[0018] 图10图示在对于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 600Hz的级联型H桥多电平变换 器中通过PS-PffM而获得的仿真的线-线电压谱的图形表示，
[0019] 图11图示在对于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 600Hz的级联型H桥多电平变换 器中通过所述调制方法而获得的仿真的线-线电压谱的图形表示，
[0020] 图12图示在对于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 420Hz的级联型H桥多电平变换 器中通过PS-PffM而获得的仿真的输出电流的图形表示，
[0021] 图13图示在对于m = Ufciut= 60Hz、fswltehing= 420Hz的级联型H桥多电平变换 器中通过所述调制方法而获得的仿真的输出电流的图形表示，
[0022] 图14是图示根据第二示例实施例的具有六个子模块/臂的拓扑的模块化多电平 变换器支路的示意图，
[0023] 图15图示根据本发明的示例性实施例的、利用所述调制方法的具有六个子模块/ 臂的拓扑的模块化多电平变换器的仿真的线-线电压。
【具体实施方式】
[0024] 本发明的实施例涉及一种新的脉宽调制（PffM)方法，其原则上能够用于多种不同 类型的多电平变换器。一般来说，多电平变换器可以具有一个或多个相，包括用于每一相的 多个功率单元。每个功率单元包括具有配备有开关装置的一个或多个开关支路的逆变电 路，所述开关装置能够改变各个单元的电压状态或者电平。通过控制每个功率单元的各个 开关支路的开关事件，可以控制每个单元上的电压以及由此获得具有多个离散的电压电平 的AC输出波形。
[0025] 虽然已经对于能够被用于工业应用的特定的示例性多电平变换器而阐述了本发 明的实施例，但是应理解，所提出的PWM控制器及其根本操作方法不限于这里所描述的类 型的多电平变换器，而是能够推广为具有任意数量的单元的多电平变换器、或者推广到许 多其他多电平拓扑。
[0026] 示例1 :级联铟H桥多电平夺换器
[0027] 在第一实施例中，提出的调制方法被描述用于级联型H桥多电平变换器。这样的 变换器的示例是由西门子工业公司制造的Perfect Harmony GH180?.驱动器。
[0028] 图1图示包括具有七电平拓扑的级联型H桥多电平变换器10的系统1的实施例 的示意图，七电平拓扑包括三相，其中每一相具有三个功率单元，根据本发明的一个方面， 系统1另外包含PWM控制器30。多电平变换器的本实施例的拓扑在美国专利No. 5625545 中有所描述，为了说明的目的，其内容通过引用的方式合并于此。
[0029] 在图1的示例中，系统1是中压驱动器，其包括通过线LU L2和L3提供电力输入 2的三相电源。多电平变换器10连接到AC电力输入2并且通过相输出线u、v和w产生三 相AC电源作为输出3。通过线u、V和w的AC输出3可以连接到负载20,其在该示例中包 括电动机。可以通过控制由多电平变换器10产生的输出电压的频率和/或幅值来操作电 动机20。
[0030] 多电平变换器10的每一相包括各自的相支路11，其由以级联的方式布置的多个 功率单元12形成。在图1的示例中，三个相支路11各自由相同数量的串联连接的功率单 元12 ( 即，三个）形成。一相的每个功率单元12通过各自的输入线LU L