T型三電平拓撲結構的控制

陳 玲, 紀 萍

(河海大學文天學院， 安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

隨著現代電力電子技術的發展，雙極型復合自關斷器件取得迅猛的發展，促進高壓大容量變流器技術的進步，尤其是多電平拓撲結構的逆變器技術逐漸成為大功率變流器的研究熱點[1-4]。多電平逆變器優點顯著，如輸出電壓諧波小、所需器件耐壓低和開關損耗低等，使其在眾多中高壓大功率場合得到了廣泛應用[5]。其中，三電平拓撲結構以結構簡單、控制方便等更是得到迅猛發展[6]。文中在T型三電平拓撲結構的基礎上對T型三電平逆變系統的原理及控制策略進行了分析，建立了一定的理論依據，在此基礎上設計了硬件電路，并對系統進行了軟件設計，完成了實驗。通過實驗驗證了控制方法的有效性。

1 T型三電平逆變系統控制原理

T型三電平逆變系統主電路拓撲結構如圖1所示。

每相橋臂有4個功率開關器件，上下橋臂各包含一個功率開關管，而另兩個功率開關管反向串聯后與直流側電容在中點處相連，其結構形狀像字符“T”，因此,稱這種結構為T型拓撲。當系統輸出低電平或者高電平時，由于電流流經器件個數較少，導致對應的導通損耗也會下降[7]。

圖1 T型三電平主電路拓撲

圖1中，設直流電壓為Ud，由于直流側電容C1=C2，則Udc1=Udc2=Ud/2。若以直流側電容中點0為參考，則每相橋臂可輸出電平：Ud/2、0、-Ud/2。若這三種電平對應狀態P、O和N三種電平狀態。則單相橋臂輸出不同電平時對應的開關狀態見表1。

表1 不同電平對應的單相開關狀態

由此，三相T型三電平逆變系統共有27個開關狀態，可組成19個有效的空間矢量。其中，零矢量1個，對應了3個開關狀態；小矢量6個，對應了2個開關狀態；中矢量和大矢量各6個，分別對應1個開關狀態。三電平空間矢量圖[8]如圖2所示。

將這27個開關狀態利用三電平空間矢量調制算法SVPWM是在逆變系統的一個工作周期中用6個大基本矢量將矢量空間分成6個區域，再將期望的旋轉參考矢量在α-β坐標系上進行分解，同時,利用正六邊形空間矢量圖來判斷參考矢量所在的扇區來完成合成矢量作用時間的計算。根據基本電壓矢量的調制方式和作用時間，可以獲得三相橋臂各開關的驅動信號，從而實現三電平逆變系統的SVPWM控制。即各輸出電平對應的開關狀態，給予對應的開關管觸發脈沖即可實現逆變系統的PWM控制[9]。三電平逆變系統PWM波形示意圖如圖3所示。

圖2 三電平逆變系統基本電壓空間矢量圖

圖3 三電平逆變系統PWM波形示意圖

2 系統硬件結構

2.1 系統硬件組成

T型三電平逆變系統的控制主要由dsPIC與FPGA結合實現,T型三電平逆變系統結構如圖4所示。

圖4 T型三電平逆變系統結構

首先采集電路中所需的電壓及電流信號，然后通過控制算法進行計算，得到開關管的控制脈沖信號。再將脈沖信號送入驅動電路，最終利用其實現開關管的通斷控制。由此，系統實現電能直流交流變換。

2.2 系統主電路設計

三電平逆變系統主電路采用共集電極式T型三電平拓撲結構(見圖1)，左側接直流電源，右側接星型阻感負載。由于文中只是研究了T型三電平拓撲的控制策略，因此實驗中的功率較小，直流側電壓為30 V。

系統直流側存在中點電位平衡問題，故用容值較大的電容來適當抑制中點電位波動，因此選用3 300 μF/100 V的電解電容作為直流側分壓電容。逆變橋功率開關管選用MOSFET。

2.3 系統控制電路設計

電壓驅動型功率器件選為電力MOSFET，其開通電壓為10～15 V，考慮關斷速度，選擇關斷電壓為-5～-15 V的負電壓，因此，實驗選擇TOSHIBA公司的光耦隔離型驅動芯片TLP250，對應驅動電路如圖5所示[10]。

圖5 TLP250驅動原理圖

考慮系統各開關管驅動電路之間易形成干擾，需對芯片的電源部分進行相應隔離。由于本系統T型三電平逆變器采用共集電極接法，至少需要5路獨立的驅動電源。因此，實驗中采用SAPS公司的AC/DC電源模塊制作了一個電源板，實現了由交流220 V轉換得到的24 V直流電源，然后通過5個MORNSUN公司的DC/DC隔離電源模塊獲得5路相互隔離的直流電源為TLP250芯片供電，在方便供電的同時確保了驅動電路的穩定性。

系統實驗中，還需進行采樣電路設計和保護電路設計。采樣信號主要有直流側電壓、電流過零點檢測及三相輸出電壓電流等。

3 系統軟件部分設計

考慮T型三電平逆變系統主電路中含12個功率開關，因此，正常工作時共需要12路PWM控制信號。T型三電平逆變系統采用FPGA和dsPIC芯片相結合來實現控制。6路PWM邏輯控制信號由dsPIC通過控制程序生成，經FPGA譯碼并進行死區處理，最終產生12路控制信號，實現逆變橋的控制。

3.1 系統控制模塊設計

系統控制模塊中的T型三電平SVPWM算法的實現主要由dsPIC芯片承擔。通過軟件設計使PWM引腳輸出相應的電平狀態，以控制T型三電平逆變系統每個橋臂。系統控制模塊的硬件結構如圖6所示。

圖6 系統控制模塊結構

圖中dsPIC的PWM模塊每組兩個輸出引腳PWMxH和PWMxL輸出的電平有“00”“01”“10”，分別表示T型三電平逆變系統的零電平、低電平和高電平狀態，而“11”則不應該出現，以下在軟件設計中將加以界定。dsPIC的6組PWM模塊產生的邏輯信號，經FPGA進行譯碼，得到相應的電平對逆變系統的6個開關器件進行控制，在此基礎上加上死去時間，最后實現12路開關器件的有效控制。

3.2 系統dsPIC程序設計

系統軟件設計包含dsPIC和FPGA程序設計，其中dsPIC程序采用C語言進行編程[11]，而FPGA則采用VHDL語言進行編寫[12]。dsPIC程序軟件主要包括算法主程序及中斷服務子程序。

在系統進行時鐘源配置、特殊功能配置、所需系統外設、I/O端口等初始化后，再對系統變量進行定義和賦值，最后執行系統的主程序。具體程序流程如圖7所示。

系統根據三電平控制規律判斷各自對應扇區信息，從而確定具體作用矢量，在此基礎上，計算各矢量對應的開關狀態以及時間，這也是主程序的核心，即三電平的算法模塊。

圖7 dsPIC算法程序流程

3.3 系統FPGA程序設計

系統FPGA程序設計如圖8所示。

圖8 FPGA程序流程

系統首先接收dsPIC發送相應時間的開關狀態信號，通過FPGA進行譯碼，加上死區時間，由6路的邏輯信號變成12路的開關器件控制信號。

4 實驗結果分析

通過T型三電平逆變系統原理的分析，并進行了一定的仿真，建立了理論依據。在此基礎上搭建了T型三電平逆變系統的實驗裝置，進行了相應的小功率實驗。實驗中的直流電源采用了直流穩壓電源，以保證系統的穩定與安全。

逆變系統A相輸出相電壓波形如圖9所示(此時系統為空載)。

圖9 空載時A相相電壓輸出波形

可見,相電壓輸出波形有+Udc/2、0和-Udc/2三個電平值，呈現了逆變系統的三電平特性。

T型三電平逆變系統輸出的線電壓波形如圖10所示(此時系統仍為空載)。

可見，系統線電壓輸出有5個電平，并且將其濾波后，得到波形為50 Hz的正弦波。

(a) 濾波前輸出波形

(b) 濾波后輸出波形

5 結 語

在T型三電平拓撲結構的基礎上對T型三電平逆變系統的原理及控制策略進行了分析，采用空間矢量調制算法，對開關管的開關狀態進行控制，合理分配PWM時序，有效降低了功率器件開關損耗。在此基礎上搭建了T型三電平逆變系統實驗平臺，對系統進行了軟硬件設計，并對控制方法進行了實驗驗證。實驗結果驗證了系統及控制方法的可行性和有效性。