倍频SPWM技术在级联型多电平变频器中的应用

0 引言

高压大功率变频器是近年来电力电子行业的研究热点，在矿山、冶金行业得到广泛的应用。经过20多年的发展，高压变频器拓扑结构出现了多种形式，其中以单元级联型拓扑结构最受工业场合青睐，它不需要大量的箝位二极管或电容，也不存在中间直流电压中性点偏移问题，采用模块化安装，结构紧凑，而且采用倍频SPWM 技术，可以在比较小的开关频率情况下达到较高的等效输出频率，从而优化输出波形，减少开关损耗。为此，本文将对级联型多电平变频器原理和控制策略进行分析，同时给出相应的实验波形。

1 级联型多电平变频器主电路拓扑及工作原理

1.1 主电路

单元级联型多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元级联的方式来实现高压输出，其主电路拓扑如图1所示。设级联型H桥多电平变频器每相级联的单元数为N , 则输出相电压波形所含电平数为[1]

1.2 工作原理

以每相5单元为例，单元级联型多电平变频器原理如图2所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，如图2(b)所示;

功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变频器结构，见图2(c)所示;将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机，如图2(a)所示。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，变压器二次绕组之间相互隔离。

对于额定输出电压为6 kV的变频器，每相由5个额定电压为690 V的功率单元级联而成，输出相电压最高可达3 450 V，线电压可达6 kV左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/l5的输出功率。所以，单元的电压等级和级联数量决定变频器输出电压，单元的电流定额决定变频器输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元级联，所以不存在器件串联引起的均压问题[2]。图3 为级联数N=5的相电压输出波形，从图中可以看出，其波形数目为11个，非常接近正弦波。

2 倍频SPWM技术

在普通PWM变流器中，器件开关频率与输出电压载波频率相等。所谓倍频式PWM技术是指输出电压的载波频率是功率器件开关频率的2倍。简而言之，倍频式SPWM 技术是用一个正弦调制波与两个在相位上互补的载波信号分别进行SPWM 调制，输出电压相当于两个SPWM波形的代数相加，其消除和抑制谐波的效果相当于一个2倍载波频率的常规SPWM。多电平载波相移SPWM 技术正是从倍频式SPWM技术发展而来。由此可知载波相移SPWM技术的基本思想是：N个级联单元均采用较低开关频率的SPWM调制，并具有相同的频率调制比kc，幅值调制比m和共同的正弦调制信号，而各级联单元三角载波的相位角依次差兹，利用SPWM 技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生载波相移SPWM波形[3] [4]。现以每相2个功率单元级联而成的级联型变频器为例来分析。

根据倍频SPWM技术原理，采用2 对(每对含正反相信号)依次相移为90毅的三角载波CH1、CH2和参考波RU进行调制。图4(a)表示U相的参考波形RU和三角波载波CH1、CH2，参考波形频率为50 Hz，载波频率为1 000 Hz。图4(b)Ll为RU与第一个载波(无相移)CH1的比较结果，当RU大于载波CH1时，L1为高电平，RU小于载波CH1时，L1为低电平。L1用来控制U 相第一个H 桥功率单元中左桥臂IGBT V11 和V12的通断，L1为高电平时，V11导通，V12截止，L1为低

电平时，V11截止，V12导通;RU 和第一个载波CH1的反向信号比较产生的R1用于控制V13和V14的通断。

当RU大于反向载波时，R1为低电平，反之，R1为高电平，如图4(c)所示。R1为高电平时，V13导通，V14关断，反之亦然，由此可决定输出电压波形。实际上，L1与R1之差，就代表了输出端VU1之间的电压波形，即U 相第一个H桥功率单元的输出电压VU1，VU1具有+Vd c，0，-Vdc三种电平，如图4(d)所示。同理，可以得到L2、R2，它们是用相移90毅的载波CH2及其反向载波分别和U相参考波RU比较的结果，见图4(e)和图4(f)所示。L2与R2之差表示U相的第二个H桥功率单元输出电压波形VU2，见图4(g)所示。VU1、VU2级联相加，即得到U相的相电压输出波形VUg，VUg有5种不同的电平，见图4(h)所示。V相和W相的调制采用同样的原理，只是参考波RV、RW依次相移120毅。

3 实验波形

根据级联型多电平变频器工作原理，采用图1所示主电路拓扑和倍频SPWM技术，在实验室设计和研制了一台相电压为五电平的级联型变频器装置，它主要由DSP控制板、FPGA 电路、主电路及驱动电路构成。图5为测得的一些触发脉冲及输出电压波形。图5(a)为功率开关管V11 和V14 的触发脉冲，它们之间差1/2 个载波周期;图5(b)为第一个H桥单元功率开关管V11 和第二个H 桥功率单元V21的触发脉冲，它们之间差1/4 个载波周期，由图5(a)、(b)可知，等效载波频率提高了一倍，验证了SPWM 倍频技术的正确性。图5(c)、(d)是输出频率分别为40 Hz和30 Hz的输出电压波形。

4 结语

级联型多电平变频器由于其输入侧采用移相变压器供电，其功率因数高、输出侧是采用低压单元叠加形成高压输出，因此输出侧dv/dt小。另外，由于采用倍频SPWM技术，可以在低的开关频率情况下达到较高的等效输出频率，从而减少开关损耗和谐波，使输出波形性能得到大大的提高。