（电路与系统专业论文）直流电源级联式多电平逆变器的控制策略与实现.pdf

摘要 摘要 现代逆变技术已经成为人们生产生活的过程中不可或缺的一种技术，他的主 要作用就是把市电电网上已经遭受污染的交流电能，或者是从蓄电池、燃料电池、 太阳能电池等得到的不稳定电能变换成质量高，谐波污染小，能满足用户对电 压和频率要求的交流电能。此技术主要应用于交流电动机的变频调速、不间断 电源、有源滤波器、市电电网的无功补偿等，需要将直流电能变换为交流电能 的地方。 伴随着社会的发展，工业技术的不断提升，越来越多的用电设备接入电网， 这些设备大多数都会对电网造成严重的谐波污染，使得电网上提供的原始电能 已不能满足人们对高质量交流电能的需求。这样的电能必须经过加工后才能供 人们正常使用，所以现代化的逆变技术将在这种加工的过程中起到重要的作用。 目前对逆变器减小输出电压中谐波成分的研究主要有两个方向，第一个是 对两电平逆变器的研究，用软开关技术、高频化来减少谐波污染。另一个是对 多电平逆变技术的研究。第一种方法是用提高开关频率的方法来改善输出中的 谐波。这种方法是以提高开关器件的成本为代价的，e m i 大，开关损耗大，只 能提高谐波的频率不能消除谐波，但调压方便。另一种是通过增加电平数的方 法来减小输出谐波含量。这种方法是以增加开关器件的个数为代价的，e m i 小， 开关损耗小，谐波含量低，电路简单，成本低等特点，但不能调压。 本文通过一种将以上两种方法相结合的方法，采用直流电源级联式的结构 设计了一种应用在高压大功率场合的逆变器，并用m a t h l a b 进行了理论仿真。在 控制策略方面详细介绍了载波三角波移相控制法，载波三角波层叠法。并在实 验室条件下搭建了实验平台，该平台以载波三角波层叠法为控制策略，运用了 数字信号处理器( d s p ) 和可编程逻辑器件( f p g a ) 相结合的控制电路。在实 验平台的基础上详细介绍了该控制系统的软硬件组成和特点。并进行了载波移 相法，载波三角波反向层叠法的控制实验，验证理论的正确性。 关键词：多电平，d s p ，f p g a ，反相层叠法，电容分压，电源级联 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e mi n v e r t e rt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l et e c h n o l o g yi nt h e p r o c e s so fp e o p l et op r o d u c el i f e ，h i sm a i nr o l ei st ot h em a i n se l e c t r i c i t yg r i dh a s b e e np o l l u t e da cp o w e r ，o rb a t t e r i e s ，f u e lc e l l s ，s o l a rc e l l su n s t a b l ee l e c t r i c i t y t r a n s f o r mi n t oh i g h - q u a l i t y ，h a r m o n i cp o l l u t i o nt om e e tt h eu s e rr e q u i r e m e n t sf o r v o l t a g ea n df r e q u e n c y t h i st e c h n i q u ei sm a i n l yu s e di na cm o t o rf r e q u e n c yc o n t r o l ， u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l i e s ，a c t i v ef i l t e r s ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no ft h e m a i n s ，w h e r ed cn e e dt ob ea b l et ot r a n s f o r mt h ep l a c eo ft h ea cp o w e r a c c o m p a n i e db ys o c i a ld e v e l o p m e n t , i n d u s t r i a lt e c h n o l o g yc o n t i n u e st oi m p r o v e ， m o r ea n dm o r ee l e c t r i c a le q u i p m e n tc o n n e c t e dt ot h eg r i d ，t h e s ed e v i c e s ，m o s to fw i l l c a u s i n gs e r i o u sh a r m o n i cp o l l u t i o no nt h eg r i d ，m a k i n gt h eo r i g i n a le l e c t r i c i t yp o w e r l i n ec a l ln o tm e e tt h ep e o p l et h eh i g h q u a l i t ya cp o w e rd e m a n d t h i se l e c t r i c a l e n e r g ym u s tb ep r o c e s s e di no r d e rf o rt h en o r m a lu s e s om o d e mi n v e r t e rt e c h n o l o g y w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s s t h e r ea r et w om a i nd i r e c t i o n si n v e r t e rr e d u c e st h eo u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c ， f i r s ti st w o - l e v e li n v e r t e r ，u s e ds o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y ，h i g h f r e q u e n c yt or e d u c e t h eh a r m o n i cp o l l u t i o n t h eo t h e ri st h em u l t i l e v e li n v e r t e rt e c h n o l o g y t h ef i r s t m e t h o di st oi n c r e a s et h es w i t c h i n gf r e q u e n c yt or e d u c et h eh a r m o n i cc o n t e n to f o u t p u t t h i sa p p r o a c hi st oi m p r o v et h es w i t c h i n gd e v i c ec o s t sa tt h ee x p e n s eo ft h e e m il a r g es w i t c h i n gl o s s ，c a l lo n l yi m p r o v et h e w r i t ew a v ef r e q u e n c yc a l ln o t e l i m i n a t eh a r m o n i c s ，b u tt h er e g u l a t o rc o n v e n i e n t a n o t h e ri s b yi n c r e a s i n gt h e n u m b e ro f o u t p u tl e v e lt o r e d u c et h eo u t p u th a r m o n i cc o n t e n t t h i sm e t h o di sb a s e do ni n c r e a s i n gt h e n u m b e ro fs w i t c h i n gd e v i c e st oe x p e n s et h ee m is m a l l ，t h es w i t c h i n gl o s s ，l o w a b s t r a c t h a r m o n i cc o n t e n t , t h ec i r c u i ti ss i m p l e ，l o wc o s t ，b u tn o tt h er e g u l a t o r i nt h i sp a p e r , am e t h o do fc o m b i n i n ga b o v et h et w om e t h o d s ，u s i n gt h ed c p o w e rs t r u c t u r eo ft h ec a s c a d e ，d e s i g na ni n v e r t e ru s e di nh i 曲v o l t a g eh i g hp o w e r o c c a s i o n a n du s et h em a t h l a bt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n a n du n d e rl a b o r a t o r y c o n d i t i o n st ob u i l da ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h ep l a t f o r mt ot h ec a r t i e rt r i a n g u l a r w a v ec a s c a d em e t h o df o rt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h eu s eo fad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( f p g a ) c o m b i n a t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i t o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r md e s c r i b e di nd e t a i lt h ec o m p o s i t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ec a r r i e rp h a s es h i f t m e t h o d ，t h ec a r r i e rt r i a n g u l a rw a v er e v e r s ec a s c a d em e t h o do fc o n t r o le x p e r i m e n t st o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y k e y w o r d ：m u l t i l e v e l ，d s p ，f p g a ，a n dr p - c a s c a d em e t h o d ，c a p a c i t i v ev o l t a g e h i 绪论 第1 章绪论 1 1 多电平逆变器的定义及发展背景 1 1 1 多电平逆变器的定义 正弦波脉冲宽度调制( s p w m ) ，是指用正弦波做调制波，用频率n 倍于正 弦调制波的三角波作为载波，并将两个波形进行比较进而产生一组幅值相等， 而宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲序列来等效正弦波，用开关量来取代模拟 量，并通过对逆变器开关管的通、断控制，把直流电能变换成交流电能的一种 逆变器控制方法。n 1 s p w m 多电平逆变器中的s p w m 脉冲宽度调制的功能是调节逆变器的输出 电压、改善输出电压波形，减小谐波成分。2 1 多电平逆变器的电平数是指输出电 压在一个周期内的电平数。s p w m 多电逆变器就是指输出电压波形中的电平数 等于或大于3 的逆变器。 1 1 2 多电平逆变器的发展背景 多电平逆变器是以高压交流电动机变频调速系统，直流输电，无功补偿，电力 有源滤波等领域的发展，能源危机，环境严重污染引起的世界各国对节能技术与 环保技术的关注，及轨道交通快速发展的需求为背景的。 1 电力系统的需求 伴随着经济的高速发展，用电需求的不断增加，电力系统的负载不断增大， 市电电网的电压波形和电流波形存在严重的质量问题。造成这些的主要原因有 两点。第一，由于市电电网的高度复杂性，如容量不足，输变电设备和配电设 备的性能及质量问题，各种用电设备的设置不合理，各种设备的相互影响等造 成的电能质量的恶化会给用户带来很大的损失。第二，用户负载中的变压器、 电动机、电力电子电源、荧光灯的大量应用，也会引起谐波和无功功率的大量 产生，不仅对市电电网产生严重的污染，也增大了市电电网的负担。 在我国由于工业与能源发展的不平衡性，东部用电量大但能源少，西部用 电量小但能源多。因此我国电网规模超大，距离超长，传输容量大；拥有水力， 火力发电中心：拥有超重负载中心：能源中心与负载中心联系十分薄弱；交直 绪论 流混合输电，多种控制设备混合联网等特点。这些特点造成了我国电网可能存 在严重的安全问题，国民的生活可能面临着巨大的挑战。为了提高电力系统的 安全性，控制能力和输电能力，人们在上个世纪八十年代提出了柔性交流输电系 统的概念，其本质就是将高压大功率电力电子技术与现代控制技术应用到电力 系统中，从而增强电力系统的输电能力和控制能力，治理电力系统的无功功率 和谐波污染。实践证明在电力系统中加装无功功率补偿器，有源滤波器等设备 是非常有效的方法，而这些设备都需要高压大功率逆变器，是电力系统发展的 必然趋势。 2 高压大功率交流电机变频调速的需求 在我国发电量的一半以上用于驱动电动机做功，其中超过9 0 是交流电动 机，且大部分是直接恒速拖动，所以每年的电能浪费巨大，损耗惊人。节能减 排是现代工业技术改革的一个重点，传统直流电动机调速技术已不能满足这一要 求，交流变频调速技术正在迅速发展交流电动机调速系统的应用不仅可以节能 减排，还可以改善系统整体性能，改善工艺条件，提高效率，提高产品质量。由于传 统逆变器的固有特点，如效率低，e m i 大，开关频率高，使其不适合高压大功 率应用。因此必须研究多电平逆变器。 3 轨道交通的需求 随着轨道交通的不断发展，电力机车已经成为轨道交通中的一个重要力量， 电力机车按照传动方式的不同可分成两种，一种是直流传动，采用直流电动机； 一种是交流传动，采用交流异步电动机。直流传动的缺点是直流电动机的电刷 需要经常维护，不利于高速运行，体积大等。而交流异步电机体积小，质量轻， 无需经常维护，故障率低，恒功率区比较大，可高速运行，启动牵引力大，持 续功率大，有利于重载高速运行。电气制动容易，可以利用反馈能量达到节能 目的。此外由于交流传动的黏着性好，机械特性硬车轮不容易打滑，牵引和再 生工况的功率因数接近于1 ，这不仅降低电网的损耗，而且制动时还有较高质量 的电能反馈电网，减少了电磁干扰。因此交流传动技术得到了大力的发展，已 基本取代了直流传动技术。因此轨道交通交流传动也需要开发大功率多电平逆 变器。 1 2 多电平逆变器的特点 2 绪论 目前对逆变器的研究主要有两个方向，第一个是对两电平逆变器的研究， 它采用一个单独的直流电源，并对开关管进行s p w m 控制。得到幅值恒定的 s p w m 波形的输出电压。其发展方向是提高开关频率来减少谐波污染。但当电 源电压较高时d u d t 就大，开关损耗、e m i 也就大。为了减小d u d t 、e m i 和开 关损耗，就必须对逆变器采用软开关技术，开关器件也必须采用高频器件，从 而使电路复杂化，成本增加，可靠性下降，不适宜在高压大功率场合应用。另 一个是对多电平逆变技术的研究，通过对电路结构的改造，以特定的电路结构， 通过对多个开关管的控制，使不同的直流电源串联输出，是通过增加电平数的 方法来减小输出谐波含量，可以使开关管工作在低频或工频，开关损耗小逆变 效率高，适合高压大功率应用场合。 多电平逆变器的输出电压的跳变小，即d u l d t 小。瞬时过大的电压跳变会造 成很大的冲击电流，这会对负载和逆变器本身造成很大的损伤，并且会产生非 常大的e m i 。在相同的电压输出等级下，采用多电平逆变结构不仅可以降低开 关管的电压应力，还可以减小对交流电机的绝缘损害，降低e m i 。多电平逆变 器可以以较简单的电路实现高压输出，适合在高压大功率场合应用。此外多电 平逆变器在三相系统中输出的共模电压较小，在驱动三相交流电动机的情况下 共模电压会对电动机的轴和轴承造成伤害，在高压大功率应用中问题更为明显。 此外在采用多电平逆变器后输入电流的畸变也会得到一定程度的控制。 为了利用低耐压开关器件得到多电平高压输出，钳位式多电平逆变器采用 将开关器件串联起来组成半桥式结构的方法，用一个高压直流电源供电，并用 几个直流电容串联分压，再采用钳位二极管或者是钳位电容将主开关管的电压 钳位到一个直流分压电容的电压上。从而达到高压输出的目的。这样做的负面 影响就是增加了电路元器件，同时出现了直流电容均压问题。 级联式多电平逆变器，是采用具有独立直流电源的h 桥作为基本功率单元， 再将基本单元串联在一起形成的一种结构，它不用钳位电路，也不存在电容分 压问题。主开关器件的耐压限定在其所在基本单元的供电电压上，多个由独立 电源供电的基本单元的交流侧直接串联叠加，就可以得到高压多电平输出。 而本文主要研究的是直流电源级联式多电平逆变器，与一般的级联式多电 平有很大的区别，其输出电压的s p w m 控制不是在逆变器的逆变开关上进行的， 而是在直流电源上进行的，即在直流电源和逆变开关之间串联一只开关管进行 s p w m 控制，得到像单相全桥一样输出的s p w m 波形。这样做的目的是要减少 3 绪论 高频开关的个数，减少逆变器总开关次数，使逆变开关工作在低频z v s 状态， 降低逆变器的开关损耗，使廉价的低频开关器件得到应用。改善了逆变开关的 工作条件，降低电路成本，提高可靠性。 1 3多电平逆变器的应用领域 多电平逆变器与传统两电平逆变器相比，优点很多。如控制灵活、输出电 压的相位、幅值调节简单、输出电压谐波含量低、效率高、可以使用价格便宜 的低频大功率器件、特别适合高压大功率输出。因此它在高压大功率电能变换 中的a c d c 变换、d c a c 变换、d c d c 变换中得到了广泛的应用，但主要的 应用仍然是高压大功率交流电机的变频调速，直流输电、电能综合治理、及超 导储能、轨道交通、感应加热、和大功率u p s 等领域3 1 。同时，他在清洁能源 的利用上也可以起到重要作用，如风力发电和太阳能发电都需要通过高压多电 平逆变器并入电网。而无功功率补偿器和电力有源滤波器也向着高压大功率方 向发展，因此多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用前景。总 之伴随着经济的高速发展，多电平逆变器将有广阔的应用前景。目前的研究重 点有三个：1 在电力系统中，作为直流输电的高压整流器和高压逆变器，以及作 为治理无功与谐波污染的静止无功发生器和电力有源滤波器的主电路使用。2 在高压压大功率传动机械和高压大功率交流电机变频调速系统中作为整流器和 逆变器使用。3 作为大功率u p s 的逆变器使用，以减少输出电压中的谐波，减 少或者去掉交流滤波器，提高u p s 的反应速度。 1 4 微处理器和可编程逻辑器件在逆变器中的应用 1 4 1 本文使用的d s p 系统的介绍 d s p 2 8 1 2 是t i 公司推出的功能强大的3 2 位定点d s p ，是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的升级版本，最大的特点是速度比t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有了质的飞跃，从最高 4 0 m 跃升到1 5 0 m ，处理数据位数也从1 6 位定点跃升到3 2 位定点。“1 2 8 1 2 不仅 有片内片外存储器映射、时钟和终端管理机制，而且还具有时间管理器、串 行通信接口、多通道缓冲串行口、e c a n 总线模块和数模转换等片内外设。其 主要性能如下： 4 绪论 1 高性能静态c m o s 技术：1 5 0 m h z ，低功耗( 核电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) 2 兼容性好：c 2 7 x 目标兼容模式、c 2 8 x 模式及c 2 x l p 源兼容模式。 3 片内集成大容量存储器：最多1 2 8 k 字的f l a s h 存储器、1 k 字的o t p 型 r o m 、18 k 字r a m 。 4 外部存储器接i e i e m i f ：多达1 m b 的存储器、可编程软件等待状态、三个 独立的片选。 5 两个事件管理器e v a 、e v b 。每个包含2 个16 位通用定时器、8 个p w m 通 道、3 个捕获单元、q e p 接口电路。 6 1 2 位a d c 。 7 3 个通用定时器t i m e r 0 1 2 。 8 8 至u 1 6 位可编程的s c i 。 9 1 6 位s p i 。 1 0 多通道缓冲串行口( m c b s p ) 。 1 1 增强型c a n 控制器。 1 2 最多5 6 个通用i o 。 1 4 2 本文使用可编程逻辑器件的简介 f p g a 即现场可编程逻辑门阵列，它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程逻辑器 件的基础上进一步开发得到的。它是专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定 制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程逻辑器件门电路数目 有限的缺点。e p 2 c s q 2 0 8 c 8 是a l t e r a 公司推c y c l o n e l i 系列中的的一款低成本、 高性价比的f p g a 。它主要有逻辑阵列块l a b 、嵌入式存储器块、i o 单元、嵌入 式硬件乘法器和p l l 等模块组成。b 1 其主要性能： 1 逻辑单元数：8 2 5 6 2 i o 接口：1 3 9 3 寄存器：8 7 4 5 4 d i f f e r e n t i a li op a i r s ：6 2 5 m e m o r yb i t s ：16 5 ，8 8 8 6 m 4 kr a mb l o c k s ：3 6 7 s p e e dg r a d e ：8 5 绪论 1 5 本文的主要研究方向 本文从多电平逆变器的拓扑结构入手，通过对经典的拓扑结构和电源级联 式拓扑结构进行对比，得到本文对电源级联式逆变器进行研究的原因。通过对 多电平逆变器的控制策略的的比较分析，着重介绍了载波三角波移相s p w m 控 制法和载波三角波层叠式s p w m 控制法。指出采用载波三角波层叠式s p w m 控 制法的原因。并着重研究了载波三角波层叠式s p w m 控制策略下的五电源级联 式多电平逆变器。并用m a t l a b 对这种逆变结构进行了仿真，验证了结构的正确 性，并用上面的理论为基础搭建了实验平台，对结构进行了实验验证。 全文共六章，安排如下： 第一章为绪论，概述了课题的研究方向和意义，简述的多电平逆变器的发 展背景和应用方向! 第二章详细介绍了级联式多电平逆变器的基本结构单元，认真分析了各种 基本结构的工作过程、控制原理和输出电压波形。从而得出采用电源级联式多 电平逆变器作为研究对象的原因。 第三章介绍了级联式多电平逆变器的控制策略。描述了几种级联式多电平 逆变器的控制方法。 第四章详细描述了载波三角波层叠是控制法。用数学的方法证明这种控制 方法的可行性，以及在本文中为何要选用这种控制方法。 第五章阐述系统的软件仿真过程和仿真结果，并在仿真的基础上搭建硬件 电路，设计了d s p 和f p g a 的软件程序，完成电路的基本功能。 6 第2 章多电平逆变器的基本结构 第2 章多电平逆变器的基本结构 多电平逆变器的拓扑结构主要包括传统的钳位式多电平逆变器- 2 ，具有 独立电源的级联式多电平逆变器，以及最近几年提出的独立s p w m 直流电源级 联式多电平逆变器和直流电容分压s p w m 直流电源级联式多电平逆变器n 1 。本 章将对这些拓扑结构的特点进行详细的介绍和对比，最后得出采用电容分压 s p w m 直流电源级联式多电平逆变器的原因。 2 1 基本单元的电路结构及其工作原理 传统s p w m 多电平逆变器的基本单元实际上就是如图2 1 ( a ) 所示的单相 半桥式s p w m 两电平逆变器。他是组成传统s p w m 多电平逆变器的最小、最基 本的逆变单元。他所采用的s p w m 控制可以是同步式，也可以是非同步式。 |拈 a a 删 vvvvvv w ￥驯柙vv _ _ _ _ 卢my - 一， 。 、 、 、。 、。 、一 ( b ) 图2 1 单项半桥式s p 聊v i 两电平逆变器的电路及其工作波形 7 第2 章多电平逆变器的基本结构 在图2 1 ( b ) 中调制波为正弦波，而载波为双极性三角波。用正弦波与三 角波进行比较，在正弦波大于三角波时开关管& 导通，产生两电平s p w m 电压 波形中的正脉冲；在正弦波小于三角波时开关管s 导通，产生两电平s p w m 电 压波形中的负脉冲。完整的两电平电压s p w i v l 波形，即输出到负载上的电压“， 的波形如图2 - 1 ( b ) 所示。逆变器有正负e 1 2 的两个电平输出，故称之为两电平 逆变器。开关频率与载波三角波频率相同。 正弦调制波的方程为： 蚱= u ，s i n ( w ：+ 纠( 2 1 ) 两极性载波三角波的波形表达式可以写成： f ( w e t + 口一2 庇) 丝一“。， l 刀 l2 n c f 1 ( 2 2 ) ( 2 3 ) m 。甜。s1( 2 4 ) 则可得出负载上的电压： ”m e 如( w ，t + q a ) + 熹，。善。! 。( 砌砂蜘等p 一( 1 + e i m v t ) c 。s 朋砌，r + 寺。妻。薹。：，。c 丝笋h m c 鼍 石，e - j m c 1 + e j m v t ， c o s ( m f + n ) w 。t + 刀缈】 k = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ( 2 5 ) 其中v t 为死区时间。当不考虑死区时间时： 撑t 2 施s i n ( w , t + r p ，+ 等。喜f 。c 砌砂s 洫等p 删 c o s 栅 等羔。薹。c 竿) s 试半砂p 一 q 石 c o s ( m f + n ) w ，t + n c p 】 8 第2 章多电平逆变器的基本结构 当正弦波的零点与坐标零点一致时，即9 = o 时： ”o s m e s ；酏r 训+ 羔埘喜c 砌砂s ；n 等p 巾 c o s 毗h 羔熹。委- i - q o 垃以竿) s i n ( 字彬加 ( 2 7 ) e o s ( m f + 1 1 ) w s t 】 k = l ，2 , 3 ，4 ，5 当汲载二角汲趵初布目位角口= 0 町2 铲o s m e s 洒c 叱r 训+ 等。妻! 。c 坳砂虹n 等 c o s 聊川+ 等。- 主1 2 。蔑以( 竿) s i n ( 竿砂 ( 2 8 ) c o s ( m f4 - n ) w , t 】 k = 1 , 2 ，3 ，4 ，5 汶磐公式为求解钳衍式和级联式名审平逆蛮器的输出提供了数学基础。 2 2 二极管钳位式多电平逆变器 二极管钳位式三电平逆变器是开发的最早的一种三电平逆变器。这种逆变 器主电路和控制电路十分简单，功率双向传递的控制方便，功率因数也可进行 控制。但最大的缺点就是直流电容的均压控制十分复杂8 1 。这种逆变器是研究其 它钳位式多电平逆变器的基础。 二极管钳位式三电平逆变器的原理电路如图2 - 2 ( a ) 所示，其是一个单向半桥 式逆变器，在结构上比通常的半桥是结构多了两个钳位二极管，和两个功率开 关。钳位二极管的作用是把桥壁上与其相连的点的电压钳位到零电位阳拍。它的 输出有三个电平，如图2 2 ( b ) 所示。 、j ( 】 卜 c 。j 。 莎- d s p 电路 图5 l 系统结构框图 从图中可以看出，系统电路包括多输出电源变压器，整流单元，逆变主电 路，d s p 控制电路，f p g a 控制波形发生电路。 5 1 1 供电电源 1 电源变压器，当输入为市电时采用移相变压器，移相变压器的每一相有多 个绕组，其中一个是初级绕组，其余是次级绕组，移相变压器的次级绕组的绕 制比较复杂，要把不同相中的2 个绕组按照一定的方法串联起来，然后再接入 整流器。 2 当输入为低压直流电源时采用开关升压电路在变压器次级采用多绕组输 出形式。啪1 3 当次电路应用在光伏逆变，电动汽车逆变等领域时，因为电路中的独立 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 电源的个数和电压能直接满足电路对电源的数量、电压、电流需求，所以也可 以不需要输入变压器而直接使用蓄电池供电 5 1 2 整流电路 整流电路，通过整流电路将交流电能转换为直流母线电压。在整流回路中， 多绕组整流变压器的初级接在三相3 8 0 v 电网上，次级额定电压为7 5 v ，整流部 分采用不可控整流桥作为整流器件。由于整流回路的负载为电容，故其输出电 压平均值的最小值为1 3 5 7 5 等于1 0 1 2 5 v ；而最大值为负载为开路时电容器上 电压，即移相变压器次级绕组电压的峰值，2 宰7 5 等于1 0 6 0 6 v 。整流电路输出 电压的平均值蚴的变化范围在1 0 1 2 5 v 一1 0 6 0 6 v 之间，这也是直流母线上的 电压幅值。根据以上的计算数据并留取足够的裕量。当采用开关升压电路时应 该根据输入电压的不同适当选择初次级的匝数比，使输出电压的平均值在 1 0 0 v 一1 0 6 v 之间，并使各绕组输出电压基本相同。本文采用开关升压电路。 5 1 3 主逆变电路 主逆变电路，在大功率场合应选用i g b t , 本文因为是基于实验为目的，考虑 到成本等因素所以并未采用i g b t ，而是采用了大功率m o s 管，作为逆变单元 的功率器件。 5 1 4 辅助电源设计 从电路的原理图可以看出各个开关管的源级并不是出于一个等电位 上，并且由于有些开关管在半个正弦波周期中总处于开通状态，使得自举 升压电路，变压器隔离驱动不能在此使用，因此就需要多路输出的隔离驱 动电源。因此在本实验中作者专门设计制作了反激式开关电源，利用两个 多路输出的反击式开关电源输出1 组5 v 供控制电路使用，输出8 组15 v 供驱动电路使用，由于各路之间需要相互隔离，并且需要隔离的电压差最 大为直流3 0 0 v ，因此做好各个绕组问的绝缘是很重要的一件事情n 8 2 9 1 。 下图给出了隔离开关电源的电路原理图。其中阴影部分是两个相同的输出 绕组。 4 7 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 图5 - 1 隔离辅助电源 电路中采用了t o p 系列的单片三端控制单元t o p 2 2 5 ，该控制模块只 用了3 个管脚就将开关电源必需的栅极驱动的高压n 沟道功率m o s 管。 电压型p w m 控制器，1 0 0k h z 高频振荡器，高压启动偏置电路，带隙基准， 用于环路补偿的并联偏置调整器以及误差放大器和故障保护功能全部集 合在一起。只需要简单的外围电路就可以正常工作，工作电压范围宽，工 作稳定，能很好完成任务的需求，在变压器设计方面，因为要采用多输出 绕组结构，所以给输出绕组之间的绝缘与对称性就显的非常重要。在此次 试验中笔者手工绕制第一个三路1 5 伏输出变压器的主输出绕组的实际输 出为15 0 8 伏，辅助输出的电压与主绕组输出电压的偏差在2 以内完全可 以适应系统的需求。但在制作第二个反击电源时却出现了将反馈量加大到 最大的情况下的输出电压仍然远大于1 5 伏，再仔细检查了反馈电路安装 的实际元器件和电路参数是否一致的情况下发现并不是反馈电路问题，再 用示波器观察t o p 2 2 5 的输出端，发现输出电压的占空比已经在2 左右， 这已经是t o p 系列的最小占空比，因此排除反馈电路和出现问题的可能， 转为怀疑变压器绕组是否出现错误，将变压器拆下后，拆开检查发现初次 级绕组的匝数和方向与初始设计是一致的，最后考虑到变压器采用的e e 2 $ 的磁芯是从电子市场买来的，回来后并未测量其磁导率，因此怀疑是因为 磁导率不同引起输出电压偏高，所以在现有初级匝数和窗口依然有剩余的 情况下选择增加初级匝数，以降低输出电压。在增加了初级绕组匝数后， 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 将变压器重新装回电路开机测试，发现主输出绕组可以稳定输出1 5 伏电 压，观察t o p 2 2 5 输出占空比在2 8 左右，与当初设计的3 5 还稍有不同， 说明初级增加的匝数偏少，但尚能满足系统需求，固未进行重新绕制。检 查另外两路路输出发现一路为1 4 6 伏，一路为1 5 9 伏，出现如此大的偏 差的主要是增加了初级绕组破坏了最初的绕制平衡，使各个绕组输出电压 不平衡。因此，在今后的电源变压器设计中应该格外注意磁芯的磁导率， 避免出现因为磁导率与设计需求不同而使结果出现较大误差。 5 1 5 驱动电路 驱动电路是开关电路的主要组成部分，驱动电路的好坏直接关系到驱动信 号的表达，决定着开关器件是否能可靠地关断与开通的决定性因素，本文采用 6 n 1 3 7 高速光耦进行隔离和电平变换，将f p g a 输出的3 3 v 电压变换成5 v 电 压，进行电压变化后，再使用东芝公司生产的小功率m o s 管直接驱动模块 t l p 2 5 0 对接收的驱动信号进行放大，以使信号的大小和驱动能力适宜驱动实验 选择的功率管i r f 4 6 0 。驱动电路如下图所示图( a ) 为叠加控制开关驱动电路， 图( b ) 为逆变开关驱动电路。瑚 ( a ) 叠加开关驱动电路 4 9 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 ( b ) 逆变开关驱动电路 图5 2 驱动电路 5 2 控制电路 控制电路是逆变器的核心部分，是决定逆变器性能的关键因素本次试验控 制电路要完成控制波形输出，保护信号处理与保护控制输出，电压采样，频率 计算以及人机对话界面的处理等任务。 控制电路采用d s p 加f p g a 的控制模式，该模式将控制模块和控制信号发 生模块分开设计，是各个模块各司其职，相互联系又不相互影响，是实现多电 平逆变器控制的一个非常好的选择。控制电路工作的原理框图如下 d s p 图5 - 3 控制电路工作的原理框图 5 0 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 5 2 1 硬件电路 电路采用的是t i 公司生产的d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和a l t e m 生产的f p g a e p 2 c 8 q 2 0 8 c 6 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d 是n 公司2 0 0 0 系列芯片之一，最高工作频率 1 5 0 m h z ，具有较强的运算能力和快速实时处理能力，内含拥有脉宽调制通道的 事件管理器模块，特别适合于逆变器等领域的高性能数字化控制。e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 是a l t e r a 公司推出的一款低成本、高性价比的f p g a 。用于高密度应用，可以快 速、方便的构建数字系统3 1 3 2 。 第一章已经对这两个芯片进行了简要的介绍，在此不再介绍。 5 2 2 软件部分 电容分压直流电源级联式多电平逆变器的控制主要由两部分组成，第一部 分是d s p 软件控制部分，第二部分是f p g a 软件控制部分。其中d s p 负责系统 的初始化、a d 采样与计算、串口通讯、s p w m 的载波与调制波周期、幅值数据 的计算，功率单元的检测与保护。而f p g a 主要的任务是存储d s p 发送来的调 制波与载波的数据，产生多层载波波形，用调制波数据与载波波形数据进行比 较从而产生s p w m 波形。在本次的实验中实现s p w m 波形的算法是对称规则采 样法，这种方法是利用d s p 产生9 0 m h z 的时钟频率供给f p g a 作为时钟，然 后在f p g a 中设计的比较器中对三角载波与正弦调制波采样数据进行比较。 因为本文的设计主要是面向三相电源应用的所以设计时就设计了三相输 出，由于三相输出有一定的对称性，他们输出的波形完全相同，只是相差1 3 个 调制波周期。 1 d s p 软件部分 d s p 软件的主要工作就是根据前面讲诉的载波三角波反层叠控制算法，利 用电压反馈信号的采样数据在f p g a 发送来的中断信号作用下计算载波和调制 波数据，并将这些数据发送给f p g a 。另外对功率单元和直流电压母线返回的电 压电流数据进行采样，实时计算保护数据，对功率单元进行适时保护。下面的 流程图给出了d s p 的工作流程。 5 1 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 图5 - 4 d s p 工作流程 下面是给出部分主程序和中断子程序 主程序部分 i n i t s y s c t r l o ； d i n t ； i e r = o x 0 0 0 0 ； i f r = o x 0 0 0 0 ； i n i t p i e c t r l 0 ； i r t i t p i e v e e t t a b l e ( ) ； i n i t g p i o ( ) ； x i n t l c r = 0 x 0 0 0 5 ； k i c k d 0 9 0 ； e a l l o w ； p i e v e c t t a b l e w a k e i n t = & w a k e ； p i e v e e t t a b l e x i n t l = & i n s p w m ； 5 2 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 e d i s ； i r t i t a d c o ； p i e c t r l p i e i e r l a l l = mr n t 4 ； i e r = ( m _ i n t l ) ； e i n t ； e r t m ； 中断子程序部分 i n t e r r u p tv o i di n s p w m 0 i f ( n = s t e p ) 1 1 1 ； e l s e n + + ； m = ( 2 p i s t e p ) 枣n ； u = f z 宰s i n ( m ) 木p e ； 啦木s i n ( m + p i 牛2 3 ) 幸p e ； w = f z s i n ( m + p i 3 ) p e ； a = f a b s ( u ) ； b = f a b s ( v ) ； c - - f a b s ( w ) ； d a t a o u t = p e ； d a t a u = a ； 毒d a t a v - - b ； d a t a w = c ； i f ( u o ) 宰d c u = o x f f f f ； e l s e d c u = o x 0 0 0 0 ； i f ( v o ) * d c v = o x 脚： e l s e d c v = 0 x 0 0 0 0 ； i f ( w o ) * d c w = o x f 跹 e l s e * d c w = o x 0 0 0 0 ； 5 3 第5 章电容分压直流电源级联式多电平逆变器的设计与实验 k i c k d 0 9 0 ； w h i l e ( a d c r e g s a d c s t - f l a g b i t s e q1 _ b s y - - - - - o ) p i e c t r l p i e a c k a l l = p i e a c k g r o u p1 ； a d c r e g s a d c s t f l a g b i t i n t _ s e q1 c l r - 1 ； a d c r e g s a d c t r l 2 b i t s o c s e q l = 1 ； a d c r e g s a d c s 1 j l a g b i t i n t _ s e q 2 _ c l r = i ； a d c r e g s a d c t r l 2 b i t s o c _ s e q 2 = i ； r e