[发明专利]一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法

说明书

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，尤其涉及一种逆变电路及其电压空间矢量脉冲宽度调制方法。

背景技术

在中压大功率电能变换应用中，多电平逆变技术以其独特的优势受到越来越多的重视。相对于传统的两电平逆变电路，多电平逆变器具有输出电压电平数目多、谐波含量少、由开关动作引起的du/dt小、器件耐压要求降低、产生相同输出时器件开关频率低等优点。

常见的多电平结构主要有二极管钳位型多电平逆变器、电容钳位型多电平逆变器、具有独立直流电源的H桥级联型逆变器。以三电平为例，二极管钳位型三电平逆变器和电容钳位型三电平逆变器分别通过钳位二极管和钳位电容实现相电压的零电平输出，从而增加输出电压的阶梯电平数目。但这两种结构在零电平的引入时，导致了电容电压不均衡的问题。H桥级联型逆变器依靠级联叠加的方式来增加输出电压的电平数目，不存在电容电压不均衡问题，但所有H桥的直流输入电源必须相互隔离，因而其供电系统结构比较复杂。

另外，目前逆变器的调制技术大都采用正弦波脉宽调制、特定谐波消除脉宽调制、电流滞环跟踪调制以及电压SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)。其中，电压SVPWM控制方式具有直流电压利用率高、动态响应速度快、易于数字化实现等突出优点。而且，由于多电平逆变器能够产生更多的基本电压空间矢量，期望电压空间矢量合成方式也更加灵活多样，因此多电平逆变器较多的采用电压SVPWM控制方式。

电压SVPWM控制方式的实现，因逆变器主电路拓扑的差异而各不相同。图1是传统的三相桥式两电平逆变器电路图。图1中，传统的三相桥式两电平逆变器包括三个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂串联组成。每个半桥臂都由一个全控型功率开关管和一个功率二极管并联构成。图1中，每个桥臂有两种输出状态，即上半桥臂导通且下半桥臂关断的P状态和上半桥臂关断且下半桥臂导通的N状态。这样，三个桥臂一共可产生8种不同组合的输出状态。每一种输出状态在三相输出端A1、B1和C1都会产生相应的3个相对于直流侧假想中点(图1中的O′点)的相电压。根据这3个相电压的轴线在空间位置上依次相差120度的对称关系(如图2所示)，由平行四边形法则可以合成一个基本电压空间矢量。图1中传统的三相桥式两电平逆变器电路可以合成6个基本电压空间矢量，其开关管开关状态与基本电压空间矢量对应关系图如图3所示。图3中，“P”和括号中的“1”代表上半桥臂(例如T1)导通，同时下半桥臂(例如T4)关断的状态。“N”和括号中的“0”代表上半桥臂(例如T1)关断，同时下半桥臂(例如T4)导通的状态。PNN(100)则代表图1中从左至右三个桥臂的开关管的开关状态，即T1、T6、T2导通，同时开关管T4、T3、T5关断的状态。假设三相桥式两电平逆变器某一时刻的输出状态为PNN(100)，即A相电压为U_d/2，B、C相电压为-U_d/2，合成矢量为U_de^j0(其中，U_d为直流电源的电压，U_de^j0为电压矢量极坐标表示方式)，按照等功率原则乘以的系数，得到最终基本电压空间矢量为按照相同的方式可以得到另外5个幅值相等，相位依次相差60度的基本电压空间矢量，以及两个输出状态对应幅值为零的零矢量，具体如图3所示。在电压SVPWM控制方式，当得到基本电压空间矢量后，期望电压空间矢量按照伏秒平衡法则由相邻的两个基本电压空间矢量以不同的作用时间来合成。

二极管钳位型三电平逆变器每个桥臂有三种输出状态，上半桥臂两个开关管导通且下半桥臂两个开关管关断的P状态、上半桥臂两个开关管关断且下半桥臂两个开关管导通的N状态、中间两个开关管导通其余两个开关管关断的O状态，三个桥臂一共可以产生27种不同的组合，其中有19个互斥的基本电压空间矢量，期望电压空间矢量的合成矢量可以从这19个基本电压空间矢量中选取。由于二极管钳位型三电平逆变器本身的结构特点，O状态导致了对直流侧电容的充放电作用，从而产生电容电压不均衡问题，因此基本电压空间矢量的选择受到电容电压不均衡问题的限制。并且，同一个桥臂的状态禁止在P状态和N状态间直接切换，中间必须添加O状态作为过渡状态，这就再次限制了合成矢量的选择范围。二极管钳位型三电平逆变器虽然增加了输出电压的电平数目，但其输出线电压基波的最大幅值没有增加，仍然为直流侧电压。

发明内容