方益 周作輝

摘? 要：隨著社會的發(fā)展，人類對電能的需求日益增加與能源短缺成為當(dāng)今社會的尖銳問題，如何更高效地轉(zhuǎn)換和利用電能，已經(jīng)成為目前關(guān)注的焦點(diǎn)。在傳統(tǒng)的三相對稱逆變器中，一般采用兩電平的SVPWM調(diào)制方式或兩電平的SPWM調(diào)制方式。本文提出一種三電平的SVPWM調(diào)制方式，首先對比傳統(tǒng)的兩電平SPWM和兩電平SVPWM調(diào)制方式，分析三電平SVPWM調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn);然后從原理上推導(dǎo)三電平SVPWM調(diào)制方式;最后提出一種比較便于DSP實(shí)施的三電平SVPWM具體調(diào)制方式。

關(guān)鍵詞：逆變器;三電平;SVPWM

中圖分類號：TM464? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0055-03

A Three-level SVPWM Modulation Method

FANG Yi，ZHOU Zuohui

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：With the development of society，human’s increasing demand for electric energy and energy shortage have become acute problems in today’s society. How to convert and use electric energy more efficiently has become the focus of current attention. In the traditional three-phase symmetrical inverter，two-level SVPWM modulation mode or two-level SPWM modulation mode is generally adopted. This paper proposes a three-level SVPWM modulation mode. Firstly，the advantages and disadvantages of three-level SVPWM modulation mode are analyzed by comparing the traditional two-level SPWM and two-level SVPWM modulation mode. Then three-level SVPWM modulation mode is deduced from the principle. Finally，a specific modulation method of three-level SVPWM is proposed.

Keywords：inverter;three-level;SVPWM

0? 引? 言

在能源高度緊張的今天，人們對能源需求越來越大，電能作為一種高效、便利、清潔的能源為大家廣泛采用，如何高效率地進(jìn)行電能變換成為當(dāng)前電力電子行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題。逆變器（DC/AC變換）是電力電子技術(shù)中一種重要的電能變換技術(shù)，提升逆變轉(zhuǎn)換效率，將有效地緩解當(dāng)前的能源緊張問題。傳統(tǒng)的兩電平SPWM調(diào)制方式和兩電平SVPWM調(diào)制方式由于硬件簡單、軟件實(shí)現(xiàn)方便，在目前的行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。由于兩電平的電壓應(yīng)力直接加到開關(guān)管兩端，導(dǎo)致開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力較大，電壓應(yīng)力與三電平相比較高，開關(guān)管開管損耗較大。此外，兩電平的SPWM調(diào)制方式和兩電平SVPWM調(diào)制方式由于開關(guān)過程加載逆變?yōu)V波電感的電壓是三電平SVPWM調(diào)制方式的兩倍，電感的dv/dt較大，導(dǎo)致電感的紋波電流較大，相對于三電平的SVPWM調(diào)制方式，兩電平的SPWM調(diào)制方式和兩電平SVPWM調(diào)制方式需要更加大的濾波器，必然會增加逆變器的成本并降低逆變器的效率。

本文首先對比兩電平SPWM調(diào)制方式、兩電平SVPWM調(diào)制方式與三電平SVPWM調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，然后分析三電平SVPWM調(diào)制方式的原理，最后提出一種七段式三電平SVPWM調(diào)制方式在DSP中具體的實(shí)現(xiàn)方式。

1? 三電平SVPWM優(yōu)缺點(diǎn)對比

三電平SVPWM調(diào)制方式的逆變器功率拓?fù)淙鐖D1所示。

對比兩電平SPWM調(diào)制、SVPWM調(diào)制逆變器與圖1所示的三電平SVPWM調(diào)制逆變器，當(dāng)兩電平逆變器與三電平逆變器母線電壓相等時(shí)，設(shè)兩電平逆變器的母線電壓為VDC2，則有：VDC2=VDC3++VDC3-，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，圖1中的開關(guān)管電壓應(yīng)力只有兩電平逆變器的開關(guān)管電壓應(yīng)力的一半，同時(shí)，兩電平的輸出濾波電感La、Lb、Lc所承受的電壓應(yīng)力較圖1中的濾波電感La、Lb、Lc大，在感量相同的情況下根據(jù)電感的基本定義（式1）可以得出采用兩電平的SPWM調(diào)制方式和兩電平的SVPWM調(diào)制方式較圖1中采用三電平的SVPWM的電感紋波較大[2]。

=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

2? 三電平SVPWM調(diào)制原理

以圖1為例，對于電感La對應(yīng)的A相S1與S8為互補(bǔ)管，S2與S7為互補(bǔ)管。同樣，對于電感Lb對應(yīng)的B相S3與S10為互補(bǔ)管，S4與S9為互補(bǔ)管，對于電感Lc對應(yīng)的C相S5與S12為互補(bǔ)管，S6與S11為互補(bǔ)管。為了便于數(shù)學(xué)表達(dá)，設(shè)A、B、C三相的開關(guān)為Sa、Sb、Sc，Sa、Sb、Sc的取值有三種，分別為-1、0、1。

以Sa為例，Sa=-1對應(yīng)于開關(guān)管S1關(guān)斷、開關(guān)管S8開通、開關(guān)管S2開通、開關(guān)管S7關(guān)斷，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向?yàn)?VDC3-，又有VDC3-=VDC3+，則有：

VLa=-? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Sa=0對應(yīng)于開關(guān)管S1關(guān)斷、開關(guān)管S8開通、開關(guān)管S2關(guān)斷、開關(guān)管S7開通，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向?yàn)?。

Sa=1對應(yīng)于開關(guān)管S1開通、開關(guān)管S8關(guān)斷、開關(guān)管S2關(guān)斷、開關(guān)管S7開通，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向?yàn)閂DC3+。

在后續(xù)為了方便理解，將以上的三種狀態(tài)記作N、O、P。按照排列關(guān)系，可以列出三電平SVPWM的矢量組合為3*3*3=27種，其中有三種為零矢量組合，分別為PPP、OOO、NNN。列出剩余的24種非零矢量序列如表1所示。

根據(jù)Clark變換進(jìn)行等幅值，變換公式如式（3）所示：

（3）

將表1中列出的27種開關(guān)狀態(tài)代入式（3）中，可以得出各狀態(tài)的矢量分布圖。為了方便軟件計(jì)算，將所得到的矢量進(jìn)行標(biāo)幺，標(biāo)幺量為? ，得出27種標(biāo)幺后的矢量分布[3]。

3? 七段式三電平SVPWM調(diào)制的DSP算法實(shí)施

通常的SVPWM調(diào)制方式采用坐標(biāo)變換，控制算法處理后的結(jié)果為D-Q坐標(biāo)系中的量，如果要實(shí)施SVPWM調(diào)制方式，首先需要將D-Q坐標(biāo)系下的量Ud、Uq轉(zhuǎn)化為α-β坐標(biāo)系中的量Uα，Uβ，通過式（4）進(jìn)行D-Q坐標(biāo)系到α-β坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：

（4）

兩電平SVPWM調(diào)制方式在α-β坐標(biāo)系下與相應(yīng)的映射區(qū)域一一對應(yīng)，但三電平SVPWM由于矢量更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步將α-β坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到60°的g-h坐標(biāo)系中，得到Ug、Uh，轉(zhuǎn)換公式如式（5）所示：

（5）

在g-h坐標(biāo)系中就可以很方便判定扇區(qū)及其SVPWM發(fā)波占空比計(jì)算，三電平扇區(qū)比較復(fù)雜，分為主扇區(qū)和子扇區(qū)，主扇區(qū)判定流程如下：

當(dāng)Ug>0，Uh>0，則位于第一扇區(qū);當(dāng)Ug≤0，Ug+Uh>0，則位于第二扇區(qū);當(dāng)Ug+Uh≤0，Uh>0，則位于第三扇區(qū);當(dāng)Ug≤0，Uh≤0，則位于第四扇區(qū);當(dāng)Ug+Uh≤0，Ug>0，則位于第五扇區(qū);當(dāng)Ug>0，Ug+Uh>0，則位于第六扇區(qū)。

判定完主扇區(qū)后將Ug，Uh折算到第一扇區(qū)中得到Ug1，Uh1，就可以判定子扇區(qū)并確定其發(fā)波占空比，得到轉(zhuǎn)換矩陣如式（6）所示，其中N為所在扇區(qū)。

（6）

使用轉(zhuǎn)換到第一扇區(qū)后的Ug1，Uh1，進(jìn)行子扇區(qū)判定，其中Ug1，Uh1采用標(biāo)幺后的量計(jì)算，Ug1∈[0，1]，Uh1∈ [0，1]。判斷流程圖如下：

當(dāng)Ug1>Uh1，Ug1>0.5，則子扇區(qū)為5;當(dāng)Ug1>Uh1，Ug1+Uh1>0.5，則子扇區(qū)為3;當(dāng)Ug1>Uh1，Ug1+ Uh1≤0.5，則子扇區(qū)為1;當(dāng)Ug1≤Uh1，Uh1>0.5，則子扇區(qū)為6;當(dāng)Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1>0.5，則子扇區(qū)為4;當(dāng)Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1≤0.5，則子扇區(qū)為2。

判斷主扇區(qū)和子扇區(qū)后就可以根據(jù)相應(yīng)的扇區(qū)進(jìn)行發(fā)波矢量合成，采用七段式SVPWM矢量合成方式，以扇區(qū)1-1為例，得到Sa，Sb，Sc的矢量作用時(shí)序分別為：POO→OOO→OON→ONN→OON→OOO→POO，其他扇區(qū)可以通過類似的方式得到相應(yīng)的占空比。

4? 結(jié)? 論

本文主要探討了三電平SVPWM調(diào)制的發(fā)波方式，首先通過分析三電平的矢量構(gòu)成，確定了27個(gè)不同組合的矢量分布關(guān)系，然后通過矢量的等效變換將D-Q坐標(biāo)系中的矢量轉(zhuǎn)換到α-β坐標(biāo)系，最后為了更好地配合三電平復(fù)雜的矢量關(guān)系，將α-β坐標(biāo)系中的矢量轉(zhuǎn)換到g-h坐標(biāo)系中，確定其適量的分布扇區(qū)，則可以方便地將g-h坐標(biāo)系中的矢量用27個(gè)不同組合等效合成，最后提出了一種七段式SVPWM矢量合成方法，可以方便地在DSP中實(shí)現(xiàn)。

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作者簡介：方益（1985-），男，漢族，湖南岳陽人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向：嵌入式開關(guān)電源。