一种SPWM调制的NPC三电平逆变器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种SPWM调制的NPC 三电平逆变器。

背景技术：

传统化石能源的使用，使环境污染日益严峻，随之出现了用太阳能代替传统能源发电技术。人们生活中使用三相交流电，而太阳能发出的电为直流，为了实现电能转换，通常使用DC-AC变换技术。随着电力电子技术的成熟， SVPWM调制使电能转换的效率更高、精度更准确、故障率降低。但这种高性能逆变器控制复杂、维修困难、不宜推广。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种SPWM调制的NPC三电平逆变器，可以解决现有技术中存在的问题。

本实用新型提供了一种SPWM调制的NPC三电平逆变器，所述逆变器包括控制器、ePWM模块、驱动电路、三相逆变桥、LC滤波器、过压欠压保护电路和电压电流采样电路，直流源输出的直流电输入至所述三相逆变桥，所述三相逆变桥采用SPWM调制对直流源的输出进行逆变和LC滤波处理后输出至三相负载，直流源的直流电经过所述过压欠压保护电路检测，检测结果输入到所述控制器，所述电压电流采样电路对所述LC滤波器输出的电压和电流进行采样，采样结果输入到所述控制器中，所述控制器根据过压欠压保护电路的检测结果以及电压电流采样电路的采样结果产生相应的控制信号，所述ePWM模块对控制信号处理后生成相应的驱动控制信号输入到驱动电路，以控制所述驱动电路对所述三相逆变桥进行相应控制。

本实用新型实施例中的一种SPWM调制的NPC三电平逆变器，采用 TMS320F28335作为控制器，使用SPWM调制方法实现DC-AC变换；驱动电路采用光耦隔离器件及PWM控制器件搭建；采样电路由低通滤波电路、直流偏置、比例放大电路组成；直流侧用光耦和电压比较器组成的电路实现过压欠压保护功能；逆变输出采用LC滤波器滤除高次谐波；采集的正弦信号转换为方波，实现负载功率因数的测量。采样电路使用的低通滤波可以滤掉高频开关产生的高频信号，实现50Hz正弦信号采样，NPC型三电平拓扑结构开关管使开关次数减少、开关管的两端电压值减半、开关管损耗降低。本发明中的三电平逆变器具有结构简单、效率较高、输出电平多等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的SPWM调制的NPC三电平逆变器的整体结构框图；

图2为图1中三相逆变桥的电路结构图；

图3为图1中光耦隔离式驱动电路的结构图；

图4为图1中电压采样电路的结构图；

图5为与图2中三相逆变桥配合的方波生成电路结构图；

图6为图1中过压欠压保护电路结构图；

图7为图1中LC滤波器的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，本实用新型实施例中提供了一种SPWM调制的NPC三电平逆变器，该逆变器包括控制器、ePWM模块、驱动电路、三相逆变桥、LC滤波器、过压欠压保护电路和电压电流采样电路，直流源输出的直流电输入至三相逆变桥，经过逆变和LC滤波处理后输出至三相负载，直流源的直流电同时也经过过压欠压保护电路检测，检测结果输入到控制器，同时电压电流采样电路还对LC滤波器输出的电压和电流进行采样，采样结果也输入到控制器中，控制器根据过压欠压保护电路的检测结果以及电压电流采样电路的采样结果生产相应的控制信号，ePWM模块对控制信号进一步处理后生成相应的驱动控制信号输入到驱动电路，以对三相逆变桥进行相应控制。

在本实施例中，驱动电路采用光耦隔离式驱动电路，控制器采用 TMS320F28335处理器。

参照图2，三相逆变桥在直流侧串联两个相同的电容C1、C2，将直流源电压分成两个电压，以提供两个相同的直流源。电容C1两端并联有三个支路，每个支路上均由一个功率开关管和一个二极管串联组成，这三个支路分别为：功率开关管S1和二极管D1串联、功率开关管S5和二极管D3串联、功率开关管S9和二极管D5串联。电容C2两端也并联有三个支路，每个支路上均由一个功率开关管和一个二极管串联组成，这三个支路分别为：功率开关管S4和二极管D2串联、功率开关管S8和二极管D4串联、功率开关管S12和二极管D6 串联。同时功率开关管S1和S4之间串联有功率开关管S2和S3，功率开关管 S5和S8之间串联有功率开关管S6和S7，功率开关管S9和S12之间串联有功率开关管S10和S11，功率开关管S2和S3之间连接点、S6和S7之间连接点、 S10和S11之间连接点分别输出三相电的Ua、Ub和Uc相。

上述三相逆变桥中12个功率开关管的控制端均连接在驱动电路上，驱动电路输出的驱动控制信号控制每个功率开关管的开关状态，以使Ua、Ub、Uc输出的波形接近于正弦波。以Ua相为例，功率开关管S1和S4、S2和S3不能同时导通，S1和S3、S2和S4互补导通，四个功率开关管中S2和S3的导通时间最长。Ub和Uc相的控制与Ua相相同。

参照图3，驱动电路中包括两个高速光耦UQ1和UQ2以及一个驱动器 UQ3，本实施例中两个高速光耦的型号均为6N139，驱动器的型号为IR2110S。

高速光耦UQ1的引脚2通过电阻RQ1接ePWM模块的输出端，引脚3接地，引脚8接+5V电源，同时也通过电容CR3接地，引脚6和引脚8之间通过电阻RQ3连接，引脚5接地，同时也通过电容CR1与引脚6连接，引脚6还连接在驱动器UQ3的引脚12。高速光耦UQ2的引脚2通过电阻RQ2接ePWM 模块的输出端，引脚3接地，引脚8接+5V电源，同时也通过电容CR4接地，引脚6和引脚8之间通过电阻RQ4连接，引脚5接地，同时也通过电容CR2 与引脚6连接，引脚6还连接在驱动器UQ3的引脚14。

驱动器UQ3的引脚11接+15V电源，引脚13和15均接地，同时也通过电容CR5接+15V电源。引脚8通过电阻RQ5输出一路控制信号，引脚1通过电阻RQ6输出一路控制信号，引脚6和2分别为驱动信号公共端COM。引脚2 和3之间通过电容CR7连接，引脚3还连接+15V电源，同时也通过二极管DR1 与引脚7连接。引脚6和7通过电容CR6连接。上述输出的两路控制信号用于控制三相逆变桥中同一支路上的两支功率开关管，例如两路控制信号分别控制 S1和S2。其余功率开关管也使用相同结构的驱动电路控制，本实施例中不再赘述。

以Ua相为例，当功率开关管S1和S2同时导通，S3和S4同时关断时，若电流方向由直流源流向负载，如果不计各个器件的电压降，则Ua相输出的电位为+U/2，若电流方向由负载流向直流源，则Ua相输出的电位也为+U/2。

当功率开关管S2和S3同时导通，S1和S4同时关断时，若电流方向由直流源流向负载，如果不计各个器件的电压降，则Ua相输出的电位与O点电位相同，若电流方向由负载流向直流源，则Ua相输出的电位也与O点电位相同。

当功率开关管S3和S4同时导通，S1和S2同时关断时，若电流方向由直流源流向负载，如果不计各个器件的电压降，则Ua相输出的电位为-U/2，若电流方向由负载流向直流源，则Ua相输出的电位也为-U/2。

Ub和Uc相的工作过程与Ua相相同，输出电压互差120°。

为了两个高速光耦组成的两路PWM工作在互方式，电阻RQ1和RQ2的阻值为330Ω，RQ3和RQ4的阻值为470Ω，RQ5和RQ6的阻值为330Ω，驱动电路中的电容选用钽电容，二极管选用肖特基二极管。

参照图4，电压电流采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，图4中为电压采样电路，该电压采样电路包括电压互感器TV1、运放UV1A和UV1B，本实施例中电压互感器的型号为TV16E，运放的型号为LM358AD。

LC滤波器输出的每一相电压均连接一个电压采样电路和一个电流采样电路，电压采样电路中电压互感器TV1的一次侧连接在LC滤波器的输出端，二次侧并联有电阻RV1和电容CV1，二次侧的一端接地，另一端通过串联的电阻 RV2和RV3连接在运放UV1A的同相输入端，该运放UV1A的通向输入端通过电容CV3接地，电阻RV2和RV3的连接点通过电容CV2连接在运放UV1A 的输出端，反相输入端通过电阻RV4接地，同时也通过电阻RV5连接在输出端，正极电源端接+5V电源，同时也通过电容CV4接地，负极电源端接地，输出端通过电阻RV6连接在运放UV1B的同相输入端。

运放UV1B的同相输入端通过串联的电阻RV6和RV7连接在可变电阻RV8 的滑动端，可变电阻RV8的一端接+5V电源，另一端接地，同时也通过稳压二极管DV1连接在输出端，其中稳压二极管的正极接地。运放UV1B的反相输入端通过电阻RV9接地，也通过电阻RV10接输出端，输出端通过电阻RV11输出电压采样结果。

电流采样电路的结构与上述电压采样电路的结构基本相同，区别之处仅在于将上述电压互感器TV1更换为电流互感器TA1，本实施例中电流互感器TA1 的型号为TA12-200。

参照图5，为了获取负载的功率因数，还需要使用方波生成电路将电压电流采样电路采样得到的正弦电压信号转换为同频率的方波信号，得到的方波信号输入到控制器的eCAP捕获单元，通过捕获六路方波的上升/下降沿时间，确定负载的功率因数角。方波生成电路包括一个运放UV4A，本实施例中运放 UV4A的型号为LM339D。

运放UV4A的同相输入端接三相逆变桥的输出端，反相输入端通过电阻 RV35接+5V电源，同时也通过电阻RV38接地，正极电源端接+5V电源，负极电源端接地，输出端通过电阻RV41接+5V电源，也通过稳压二极管DV4接地，其中稳压二极管DV4的正极接地，输出端即输出生成的方波信号。

参照图6，过压欠压保护电路采集直流源的电压，将其与设置的电压阈值进行比较，如果输入的电压超过设置的电压阈值，则输出一个高电平至控制器，控制器响应该高电平信号通过中断使ePWM模块停止工作，从而达到保护逆变器的目的，提高整体工作的可靠性。

过压欠压保护电路包括两个运放UB1A、UB1B以及一个光耦TLP1，本实施例中运放的型号均为LM339D，光耦的型号为TLP521-2。运放UB1A的反相输入端与UB1B的同相输入端连接，同时通过电阻RQ14接直流源输出，也通过电阻RQ15接地。运放UB1A的同相输入端通过可变电阻RQ9接地，同时也通过电阻RQ7接+12V电源，正极电源端接+12V电源，负极电源端接地，输出端通过电阻RQ11连接在光耦TLP1的引脚2。运放UB1B的反相输入端通过可变电阻RQ10接地，同时也通过电阻RQ8接+12V电源，输出端通过电阻RQ12 连接在光耦TLP1的引脚4，光耦TLP1的引脚1和3均连接在+12V电源，引脚5和7接地，引脚6和8为输出端，该输出端还通过电阻RQ13接+3.3V电源。

参照图7，所述LC滤波器将逆变输出的高频谐波信号滤除，使输出波形更接近与正弦波。将逆变桥输出端串联一组参数相同的电感L(L＝L1＝L2＝L3)，再并联一组参数相同电容C(C＝C3＝C4＝C5)，Y型接线的电容器组。

本实施例中控制器还与液晶显示器LCD12864连接，使控制器处理得到的电量参数显示在液晶显示器上。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。