基于DSP正弦波調制的三電平變換器

基于DSP正弦波調制的三電平變換器

摘要：首先介紹了三電平PWM變換器的特點，比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優缺點。詳細地介紹了三電平中SPWM控制的原理，并討論了用DSPLF2407A來實現SPWM的方法。最后通過仿真和實驗驗證了SPWM控制方法的特點，實驗證實了用DSP實現三電平SPWM的方便性。

1 概述

二極管中點鉗位型的三電平逆變器[1]的主電路拓撲結構如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個功率開關管承受的最大電壓為直流側電壓的1/2，從而實現了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外，由于相電壓有三種電平狀態，比傳統的二電平逆變器多了一個電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，輸出相同質量電流波形的時候，開關頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對稱的雙向開關，能量可以雙向流動，可以很好地控制功率因數和實現電機四象限運行。然而，由于這種拓撲結構使用了12個功率管，其控制方法也隨之復雜。另外，直流側中點電位的不平衡也是制約該拓撲的一個重要因素。

圖1

三電平變換器的控制方法主要有正弦波調制PWM(SPWM)，選擇性的消諧PWM(SHEPWM)，空間矢量PWM(SVPWM)。

三電平空間矢量控制PWM方法和兩電平空間矢量的控制方法一樣，也是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的PWM方法。三電平空間矢量方法的優點主要是電壓利用率高，對于二極管中點鉗位的變換電路可以利用冗余的電壓矢量（一般都是小矢量）來實現直流側電容電壓的平衡；其缺點就是數字實現的時候計算量非常大,尤其是當電平數大于3的時候更加復雜。

選擇性的消諧PWM方法，通過開關時刻的優化選擇，可以在較低的開關頻率下，產生最優的輸出電壓波形，從而減小了電流紋波和電動機的脈動轉矩。在輸出同樣質量波形的時候，它較其它的方法，開關次數最少，效率最高。因此，在高壓大功率的設備上多采用SHEPWM的控制方法。但是，這種方法的一個難點就是在計算開關角的時候，要解超越方程，現在通用的牛頓迭代法中，確定開關角的初值難以選擇，計算比較困難。

而正弦波調制的方法的優點主要以下幾點：

1）SPWM實現起來比較方便，可以模擬實現也可以用數字來實現，而且用數字來實現的時候，計算量小；

2）可以大大降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，因此在設計濾波器的時候，比較容易實現，而且成本較低；

3）對于任何數電平變換器，調制比可以在所有的工作范圍內變化，注入合適的三次諧波，可以實現最大調制比1.15；

4）在載波中注入合適零序列，可以較好地平衡中點電位[2]。

本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎上，討論了用DSP來實現三電平SPWM控制的方法，并將仿真結果與實驗結果進行了比較。

2 三電平載波調制理論

從圖1中可以看到，三電平逆變器的每一個橋臂上有4個開關管，4個反向恢復二極管和2個鉗位二極管。以第一橋臂為例，其中開關管Sa1和Sa3的開關控制信號互補，Sa2和Sa4的開關控?信號也是互補的。Sa1和Sa2同時導通的時候，輸出相電壓為Ed/2；Sa2和Sa3同時導通的時候，輸出的相電壓為0；Sa3和Sa4同時導通的時候，輸出的相電壓為－Ed/2。為了確保電路中dv/dt不能太大，必須保證每個橋臂中只能有上面三種情況的兩個開關管導通，絕不容許有3個開關管同時導通，但是，由于所采用的開關器件都不是理想的，開關管的開通和關斷都需要一定的時間。因此，必須對開關控制信號加入死區時間。從上面分析可知，一個橋臂中，控制信號只有兩個獨立的控制信號。Sa1和Sa2的驅動控制信號是由2個具有同相位，同頻率fc，相同的峰峰值Ac，且對稱分布的三角載波和一個峰峰值為Am，頻率為fm的正弦參考信號比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開通相應的開關器件，反之則關斷該器件。對于三電平變換器，幅度調制比ma和頻率調制比mf定義[3]為

ma=Am/2Ac （1）

mf=fc/fm （2）

圖2是調制比為ma=0.9，mf=9的三電平變換器的原理圖。

3 基于DSP的三電平SPWM的實現

TI公司的TMS320LF2407ADSP是面向電力電子控制領域的，它具有兩個事件管理器模塊EVA和EVB，能夠實現PWM對稱和非對稱波形；外部引腳PDPINTx快速封鎖PWM通道；可編程的死區控制；3個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路；16通道的A/D轉換。另外，它還有串行通信接口(SCI)，16位的串行外設接口模塊(SPI)和控制器局域網絡(CAN)2.0B模塊[4]。LF2407A可以很好地實現電力電子領域的控制。DSP實現SPWM控制三電平變換器的控制框圖見圖3。對稱的規則采樣PWM法比較簡單，適合于數字控制的實現，它的原理是在三角載波的峰點（谷點）的時刻采樣正弦波調制信號而形成的波形，采樣周期Ts為三角載波的周期。用DSP實現SPWM控制的過程中，主要是計算各個載波周期內的開關時間。圖4是計算載波周期內開關時間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計算第N個載波周期內

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