一种使用微处理器的级联H桥多电平逆变器的制作方法

本发明涉及电力电子领域，特别涉及到一种使用微处理器的级联h桥多电平逆变器。

背景技术：

随着世界能源的紧缺和环境污染的日益严重，清洁的可再生能源备受人们的青睐，可再生能源的发展和应用依赖于性能优良的直流-交流逆变器装置。因此，亟需研究结构简单，输出电能质量较好，效率较高的逆变器装置。

多电平变换技术是一种新型变换器，只改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出，不需要升压、降压变压器和均压电路。输出的波形具有更好的谐波频谱特性，每个开关器件所承受的电压应力也较小。当需要高压大功率变换时多电平变换技术就是一种具有代表性的技术，是较为理想的研究方案。

近几年研发的一种电路拓扑结构——功率单元级联型多电平逆变器广泛应用于电机的变频调速中，它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。由于采用模块化设计，各个功率单元相互级联，在变频器的直流环节采用了电容元件，无需输出变压器及任何形式的滤波器便可直接驱动交流电动机，这是它的显著优点，具有广阔的发展空间。但是变频器存在一个不容忽视的缺陷——输出侧和输入侧电压或电流含有大量的谐波干扰，这使得电压、电流波形发生畸变，这些谐波会对电网和电机造成不良影响，必须采取抑制谐波的措施。

(1)随着系统容量的不断增大，需要更高的电压和更大电流，而传统的级联逆变器由于受到功率开关管通流能力的限制，已经不能满足现实需求。

(2)通过级联更多的模块可以实现更高的电压，但是由于受到功率器件通流能力的限制，实现更大电流就会遇到很大困难。

(3)如果采用更高容量的功率开关管，则功率开关管的成本太高，系统成本增加，维护困难。

(4)目前逆变器的输出电能质量有待进一步提高，谐波含量有待进一步减少，对于电网的友好性应进一步提升。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种使用微处理器的级联h桥多电平逆变器，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种使用微处理器的级联h桥多电平逆变器，包括主电路模块、电路控制模块和上位机控制模块，主电路模块包括依次顺序级联的若干功率单元，前一功率单元的主开关组第二桥臂的中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂的中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为单相输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为单相输出的负端；每相的输出负端相连接，每相的输出正端分别接入三相星型负载的三端；电路控制模块包括arm微处理器，上位机控制模块包括dsp主控制器，所述功率单元为h桥电路，h桥电路包括4个电力场效应管，其栅极经光耦合器与arm微处理器的控制触发引脚相连，每个arm微处理器与dsp主控制器相连。

进一步的，所述arm微处理器的型号为stm32，一个arm微处理器控制两个h桥电路。

进一步的，所述dsp主控制器的型号为tms320f28335，dsp主控制器与arm微处理器采用spi通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)级联多电平的特点使得逆变器的输出电压谐波含量小，而采用微处理器stm32基于多电平逆变器电路生成的多重叠加法来触发电力场效应管进一步减少了谐波含量。

(2)采用多个h桥级联的方式使得每一个开关管承受的应力低，适用于高压、大功率的场合。

(3)整个电路拓扑结构和控制方案均较为简单，成本低廉，易于实现。

(4)可远程监视控制一体化运行，契合目前电力行业智能化发展方向。

本发明采用arm微处理器控制电力场效应管的开通关断来输出矩形波进而拟合正弦波，开通关断时间基于多电平逆变器电路生成的多重叠加法来实现，dsp与arm作为逆变器的上下位机。对于多电平逆变器进行调制，控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，关键是输出电压的谐波含量较低，可应用于电网无功补偿、高压大功率交流电动机和变频调速领域，在水电厂、火电厂及风电场的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机、轨道交通的电力机车牵引系统中能节省电能，降低污染，具有很好的经济效益。

附图说明

图1为本发明所述的使用微处理器的级联h桥多电平逆变器的结构示意图。

图2为本发明所述的h桥级联电路的电路图。

图3为本发明所述的h桥电路的电路图。

图4为本发明所述的n链节h桥输出的阶梯波电压图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图4，本发明所述的一种使用微处理器的级联h桥多电平逆变器，包括主电路模块、电路控制模块和上位机控制模块。主电路模块包括依次顺序级联的若干功率单元。逆变器的每一相由多个功率单元依次顺序级联构成。前一功率单元的主开关组第二桥臂的中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂的中点相连接形成级联。级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为单相输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为单相输出的负端。每相的输出负端相连接，每相的输出正端分别接入三相星型负载的三端即可构成三相系统。电路控制模块包括arm微处理器，上位机控制模块包括dsp主控制器。功率单元为h桥电路，h桥电路包括4个电力场效应管，其栅极经光耦合器与arm微处理器的控制触发引脚相连。每个arm微处理器与dsp主控制器相连。

arm微处理器的型号为stm32，一个arm微处理器控制两个h桥电路。stm32微处理器通过i/o引脚与电力场效应管连接，控制其通断，实现多电平逆变器的核心功能；另外，arm微处理器还实现实时采集h桥各桥臂电压功能，监控逆变装置工作状态，实现可视化输出。

dsp主控制器的型号为tms320f28335。dsp主控制器的功能为与每一片arm微处理器连接，进行通信。给每一片arm微处理器分配其应当控制的h桥序号，将arm微处理器采集的数据按任务要求收集起来并判断其工作状态。

h桥电路作为级联h桥的基本单元工作状态为：

(1)当开关管t1和开关管t4导通，开关管t3和开关管t2关断时，a1a2端口输出电压为+e；

(2)当开关管t2和开关管t3导通，开关管t1和开关管t4关断时，a1a2端口输出电压为-e；

(3)当开关管t1和开关管t3导通，开关管t2和开关管t4关断时，a1a2端口输出电压为0；

(4)当开关管t2和开关管t4导通，开关管t1和开关管t3关断时，a1a2端口输出电压为0。

h桥电路级联形成h桥级联电路，每条链由n个这样的h桥级联，则每条链可以输出的最大电压+ne，最小-ne，这样的链条可以输出-ne，-(n-1)e，-(n-2)e，...n-1e，ne等2n+1个级阶梯波的电压。通过stm32微处理器提供的触发信号，控制电力场效应管的开通关断可以得到如图4所示的阶梯波电压。

本发明的触发信号生成芯片采用stm32系列芯片作为主控芯片，通过大功率mosfet栅极驱动去触发电力场效应管，此处涉及触发关断的时间问题，本发明采用多电平逆变器生成的多重叠加法来计算得到每个桥臂准确的开通关断时间，每个h桥输出一个矩形波，最终叠加输出实现谐波较少的交流电压输出。

本发明可实现现场无人化管理，stm32与上位机tms320采用spi通信，实时、可靠传递桥臂工作状态以及装置中场效应管所在桥臂电压，判断每个h桥的工作状态是否正常，从而自动切换工作h桥的总数量，进而稳定输出正弦波形，实现各种设计功能。

本发明的主电路模块采用h桥级联电路，其中每一级均为一个独立h桥电路；同时装置还包含三端稳压集成电路；另外本装置还采用了晶体反相器用于栅极驱动igbt调节器或者栅极驱动大功率mosfet；本发明的逆变器，h桥级联数量的增减可以灵活控制输出电压，触发控制电路采用一片arm芯片控制两个h桥电路的做法使得芯片得到充分利用的同时兼具性能强劲，工作稳定且价格低廉。由于采用芯片控制每个电力场效应管的开通关断时间，使得输出电压高精度拟合正弦波输出，大幅度减少逆变电压的谐波问题。同时可实现远程监控，远程操作，符合如今电力行业的现场无人化、运行智能化发展方向，可应用于高压大功率交流电动机的变频调速领域，直流输电和电能质量综合治理领域以及超导储能，感应加热和大功率不间断电源(ups)等领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效应。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。