一種三電平的SVPWM調制方法設計

方益 周作輝

摘? 要：隨著社會的發展，人類對電能的需求日益增加與能源短缺成為當今社會的尖銳問題，如何更高效地轉換和利用電能，已經成為目前關注的焦點。在傳統的三相對稱逆變器中，一般采用兩電平的SVPWM調制方式或兩電平的SPWM調制方式。本文提出一種三電平的SVPWM調制方式，首先對比傳統的兩電平SPWM和兩電平SVPWM調制方式，分析三電平SVPWM調制方式的優缺點;然后從原理上推導三電平SVPWM調制方式;最后提出一種比較便于DSP實施的三電平SVPWM具體調制方式。

關鍵詞：逆變器;三電平;SVPWM

中圖分類號：TM464? ? ? 文獻標識碼：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，如何高效率地進行電能變換成為當前電力電子行業研究的熱點問題。逆變器（DC/AC變換）是電力電子技術中一種重要的電能變換技術，提升逆變轉換效率，將有效地緩解當前的能源緊張問題。傳統的兩電平SPWM調制方式和兩電平SVPWM調制方式由于硬件簡單、軟件實現方便，在目前的行業中得到廣泛的應用。由于兩電平的電壓應力直接加到開關管兩端，導致開關管開關應力較大，電壓應力與三電平相比較高，開關管開管損耗較大。此外，兩電平的SPWM調制方式和兩電平SVPWM調制方式由于開關過程加載逆變濾波電感的電壓是三電平SVPWM調制方式的兩倍，電感的dv/dt較大，導致電感的紋波電流較大，相對于三電平的SVPWM調制方式，兩電平的SPWM調制方式和兩電平SVPWM調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調制方式、兩電平SVPWM調制方式與三電平SVPWM調制方式的優缺點，然后分析三電平SVPWM調制方式的原理，最后提出一種七段式三電平SVPWM調制方式在DSP中具體的實現方式。

1? 三電平SVPWM優缺點對比

三電平SVPWM調制方式的逆變器功率拓撲如圖1所示。

對比兩電平SPWM調制、SVPWM調制逆變器與圖1所示的三電平SVPWM調制逆變器，當兩電平逆變器與三電平逆變器母線電壓相等時，設兩電平逆變器的母線電壓為VDC2，則有：VDC2=VDC3++VDC3-，根據文獻[1]，圖1中的開關管電壓應力只有兩電平逆變器的開關管電壓應力的一半，同時，兩電平的輸出濾波電感La、Lb、Lc所承受的電壓應力較圖1中的濾波電感La、Lb、Lc大，在感量相同的情況下根據電感的基本定義（式1）可以得出采用兩電平的SPWM調制方式和兩電平的SVPWM調制方式較圖1中采用三電平的SVPWM的電感紋波較大[2]。

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

2? 三電平SVPWM調制原理

以圖1為例，對于電感La對應的A相S1與S8為互補管，S2與S7為互補管。同樣，對于電感Lb對應的B相S3與S10為互補管，S4與S9為互補管，對于電感Lc對應的C相S5與S12為互補管，S6與S11為互補管。為了便于數學表達，設A、B、C三相的開關為Sa、Sb、Sc，Sa、Sb、Sc的取值有三種，分別為-1、0、1。

以Sa為例，Sa=-1對應于開關管S1關斷、開關管S8開通、開關管S2開通、開關管S7關斷，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向為-VDC3-，又有VDC3-=VDC3+，則有：

VLa=-? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Sa=0對應于開關管S1關斷、開關管S8開通、開關管S2關斷、開關管S7開通，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向為0。

Sa=1對應于開關管S1開通、開關管S8關斷、開關管S2關斷、開關管S7開通，即加在電感La的電壓為從左至右的參考方向為VDC3+。

在后續為了方便理解，將以上的三種狀態記作N、O、P。按照排列關系，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Clark變換進行等幅值，變換公式如式（3）所示：

（3）

將表1中列出的27種開關狀態代入式（3）中，可以得出各狀態的矢量分布圖。為了方便軟件計算，將所得到的矢量進行標幺，標幺量為? ，得出27種標幺后的矢量分布[3]。

3? 七段式三電平SVPWM調制的DSP算法實施

通常的SVPWM調制方式采用坐標變換，控制算法處理后的結果為D-Q坐標系中的量，如果要實施SVPWM調制方式，首先需要將D-Q坐標系下的量Ud、Uq轉化為α-β坐標系中的量Uα，Uβ，通過式（4）進行D-Q坐標系到α-β坐標系轉換：

（4）

兩電平SVPWM調制方式在α-β坐標系下與相應的映射區域一一對應，但三電平SVPWM由于矢量更加復雜，需要進一步將α-β坐標系轉換到60°的g-h坐標系中，得到Ug、Uh，轉換公式如式（5）所示：

（5）

在g-h坐標系中就可以很方便判定扇區及其SVPWM發波占空比計算，三電平扇區比較復雜，分為主扇區和子扇區，主扇區判定流程如下：

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

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

（6）

使用轉換到第一扇區后的Ug1，Uh1，進行子扇區判定，其中Ug1，Uh1采用標幺后的量計算，Ug1∈[0，1]，Uh1∈ [0，1]。判斷流程圖如下：

當Ug1>Uh1，Ug1>0.5，則子扇區為5;當Ug1>Uh1，Ug1+Uh1>0.5，則子扇區為3;當Ug1>Uh1，Ug1+ Uh1≤0.5，則子扇區為1;當Ug1≤Uh1，Uh1>0.5，則子扇區為6;當Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1>0.5，則子扇區為4;當Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1≤0.5，則子扇區為2。

判斷主扇區和子扇區后就可以根據相應的扇區進行發波矢量合成，采用七段式SVPWM矢量合成方式，以扇區1-1為例，得到Sa，Sb，Sc的矢量作用時序分別為：POO→OOO→OON→ONN→OON→OOO→POO，其他扇區可以通過類似的方式得到相應的占空比。

4? 結? 論

本文主要探討了三電平SVPWM調制的發波方式，首先通過分析三電平的矢量構成，確定了27個不同組合的矢量分布關系，然后通過矢量的等效變換將D-Q坐標系中的矢量轉換到α-β坐標系，最后為了更好地配合三電平復雜的矢量關系，將α-β坐標系中的矢量轉換到g-h坐標系中，確定其適量的分布扇區，則可以方便地將g-h坐標系中的矢量用27個不同組合等效合成，最后提出了一種七段式SVPWM矢量合成方法，可以方便地在DSP中實現。

參考文獻：

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[5] Sanketkumar.V.P，Bipinkumar.R.N.3 LEVEL SVPWM SOLAR INVERTER USING DSP CONTROLLER [J].International Research Journal of Engineering and Technology，2016，3（5）：1917-1920.

[6] 蔡凱，程善美.三電平SVPWM方案的實現 [J].電氣傳動自動化，2008（4）：5-8.

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