1 概述
二極管中點(diǎn)鉗位型的三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實(shí)現(xiàn)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(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，輸出相同質(zhì)量電流波形的時(shí)候，開關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對(duì)稱的雙向開關(guān)，能量可以雙向流動(dòng)，可以很好地控制功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。然而，由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個(gè)功率管，其控制方法也隨之復(fù)雜。另外，直流側(cè)中點(diǎn)電位的不平衡也是制約該拓?fù)涞囊粋€(gè)重要因素。

圖1 三電平變換器主電路結(jié)構(gòu)
三電平變換器的控制方法主要有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(yōu)點(diǎn)主要是電壓利用率高，對(duì)于二極管中點(diǎn)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(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡；其缺點(diǎn)就是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的時(shí)候計(jì)算量非常大,尤其是當(dāng)電平數(shù)大于3的時(shí)候更加復(fù)雜。
選擇性的消諧PWM方法，通過開關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，可以在較低的開關(guān)頻率下，產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形，從而減小了電流紋波和電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在輸出同樣質(zhì)量波形的時(shí)候，它較其它的方法，開關(guān)次數(shù)最少，效率最高。因此，在高壓大功率的設(shè)備上多采用SHEPWM的控制方法。但是，這種方法的一個(gè)難點(diǎn)就是在計(jì)算開關(guān)角的時(shí)候，要解超越方程，現(xiàn)在通用的牛頓迭代法中，確定開關(guān)角的初值難以選擇，計(jì)算比較困難。
而正弦波調(diào)制的方法的優(yōu)點(diǎn)主要以下幾點(diǎn)：
1）SPWM實(shí)現(xiàn)起來比較方便，可以模擬實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字來實(shí)現(xiàn)，而且用數(shù)字來實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，計(jì)算量?。?br/> 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(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，比較容易實(shí)現(xiàn)，而且成本較低；
3）對(duì)于任何數(shù)電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化，注入合適的三次諧波，可以實(shí)現(xiàn)最大調(diào)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(diǎn)電位。
本文在介紹三電平變換SPWM控制理論的基礎(chǔ)上，討論了用來實(shí)現(xiàn)三電平SPWM控制的方法，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
2 三電平載波調(diào)制理論
從圖1中可以看到，三電平逆變器的每一個(gè)橋臂上有4個(gè)開關(guān)管，4個(gè)反向恢復(fù)二極管和2個(gè)鉗位二極管。以第一橋臂為例，其中開關(guān)管Sa1和Sa3的開關(guān)控制信號(hào)互補(bǔ)，Sa2和Sa4的開關(guān)控制信號(hào)也是互補(bǔ)的。Sa1和Sa2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出相電壓為Ed/2；Sa2和Sa3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候，輸出的相電壓為0；Sa3和Sa4同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)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(gè)橋臂中只能有上面三種情況的兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，絕不容許有3個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，但是，由于所采用的開關(guān)器件都不是理想的，開關(guān)管的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間。因此，必須對(duì)開關(guān)控制信號(hào)加入死區(qū)時(shí)間。從上面分析可知，一個(gè)橋臂中，控制信號(hào)只有兩個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)。Sa1和Sa2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)是由2個(gè)具有同相位，同頻率fc，相同的峰峰值A(chǔ)c，且對(duì)稱分布的三角載波和一個(gè)峰峰值為Am，頻率為fm的正弦參考信號(hào)比較得到的。在三角載波和正弦波相交的時(shí)刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件，反之則關(guān)斷該器件。對(duì)于三電平變換器，幅度調(diào)制比ma和頻率調(diào)制比mf定義為
ma=Am/2Ac（1）
mf=fc/fm（2）
圖2是調(diào)制比為ma=0.9，mf=9的三電平變換器的原理圖。

（a）調(diào)制原理

（b）A相電壓波形

（c）B相電壓波形

（d）AB線電壓波形
圖2 SPWM原理圖
3 基于DSP的三電平SPWM的實(shí)現(xiàn)
公司的TMS320LF2407ADSP是面向電力電子控制領(lǐng)域的，它具有兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)PWM對(duì)稱和非對(duì)稱波形；外部引腳PDPINTx快速封鎖PWM通道；可編程的死區(qū)控制；3個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道的A/D轉(zhuǎn)換。另外，它還有串行通信接口(S)，16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。LF2407A可以很好地實(shí)現(xiàn)電力電子領(lǐng)域的控制。DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制三電平變換器的控制框圖見圖3。對(duì)稱的規(guī)則采樣PWM法比較簡(jiǎn)單，適合于數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)，它的原理是在三角載波的峰點(diǎn)（谷點(diǎn)）的時(shí)刻采樣正弦波調(diào)制信號(hào)而形成的波形，采樣周期Ts為三角載波的周期。用DSP實(shí)現(xiàn)SPWM控制的過程中，主要是計(jì)算各個(gè)載波周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)間。圖4是計(jì)算載波周期內(nèi)開關(guān)時(shí)間的中斷程序流程圖。中斷程序主要就是計(jì)算第N個(gè)載波周期內(nèi)的開關(guān)的時(shí)間，其中v0為正弦波的幅值。表1是DSP的信號(hào)與開關(guān)管對(duì)應(yīng)表。表2是各個(gè)扇區(qū)內(nèi)CMPRx的值表。
表1 DSP信號(hào)和主功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系
PWM1 PWM2 PW PWM4 PWM5 PWM6
Sa3 Sa1 Sa4 Sa2 Sb3 Sb1
PWM7 PWM8 PWM9 PWM10 PWM11 PWM12
Sb4 Sb2 Sc3 Sc1 Sc4 Sc2

表2 CMPRx在各個(gè)區(qū)內(nèi)的值
　 CMPR1 CMPR2 CMPR3 CMPR4 CMPR5 CMPR6
Z1 v0sinθ T v0sin(π/3－θ) T 0 T－v0sin(θ＋π/3)
Z2 v0sin(θ＋π/3) T 0 T－v0sinθ 0 T－v0sin(π/3－θ)
Z3 v0sin(π/3－θ) T 0 T－v0sin(θ＋π/3) v0sinθ T
Z4 0 T－v0sinθ 0 T－v0sin(π/3－θ) v0sin(θ＋π/3) T
Z5 0 T－v0sin(θ＋π/3) v0sinθ T v0sin(π/3－θ) T
Z6 0 T－v0sin(π/3－θ) v0sin(θ＋π/3) T 0 T－v0sinθ

圖3 DSP控制的三電平變換器框圖

圖4 中斷程序流程圖
4三電平SPWM的仿真研究
為了研究載波調(diào)制的諧波消除效果，采用電力電子專用仿真軟件PSIM對(duì)圖1所示的三電平變換器進(jìn)行了仿真研究。仿真參數(shù)設(shè)置載波的頻率fc=10kHz，調(diào)制正弦波的頻率fm=50Hz，幅度調(diào)制比為ma=0.9。相電壓、線電壓的仿真波形如圖5（a）所示。從仿真結(jié)果不難看出三電平的諧波主要集中在載波頻率的倍數(shù)的位置，如圖5（b）所示，而低次諧波很小。
5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹麟娐凡捎?2個(gè)IRF840開關(guān)管，6個(gè)鉗位和12個(gè)反向恢復(fù)的二極管MUR860。實(shí)驗(yàn)的控制部分主要是基于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的雙DSP數(shù)字控制平臺(tái)。電路的輸入的直流電壓300V，負(fù)載為2.2kW的電動(dòng)機(jī)。開關(guān)頻率fc=10kHz，ma=0.9。圖6(a)是相電壓波形，圖6(b)是相電壓的FFT分析。圖7(a)是線電壓波形，圖7(b)是線電壓波形的FFT分析波形。

（a）相、線電壓波形

（b）相、線電壓FFT分析
圖5 相、線電壓波形與FFT分析

（a）相電壓波形

(b)相電壓波形的頻譜分析
圖6 相電壓波形與其FFT分析

（a）線電壓波形

(b)線電壓波形的頻譜分析
圖7 線電壓波形與其FFT分析
6 結(jié)語(yǔ)
上述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SPWM方法的諧波主要集中在高頻部分，因此，對(duì)它進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。三電平變換器在高性能中高電壓的變頻調(diào)速，有源電力濾波裝置和電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。DSPLF2407A具有多路PWM輸出和可編程的死區(qū)時(shí)間控制，因此，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電力電子領(lǐng)域的控制中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。