基于DSP正弦波调制的三电平变换器

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摘要：首先介绍了三电平PWM变换器的特点，比较了空间矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的优缺点。详细地介绍了三电平中SPWM控制的原理，并讨论了用DSPLF2407A来实现SPWM的方法。最后通过仿真和实验验证了SPWM控制方法的特点，实验证实了用DSP实现三电平SPWM的方便性。

    关键词：三电平变换器；正弦脉冲宽度调制；数字处理器

1 概述

二极管中点钳位型的三电平逆变器[1]的主电路拓扑结构如图1所示。由于二极管的钳位，这种变换器每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的1/2，从而实现了用中低压器件完成中高容量的变换。另外，由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，其谐波水平明显低于二电平变换器，输出相同质量电流波形的时候，开关频率可以降低到两电平的1/4。最后，由于采用了不对称的双向开关，能量可以双向流动，可以很好地控制功率因数和实现电机四象限运行。然而，由于这种拓扑结构使用了12个功率管，其控制方法也随之复杂。另外，直流侧中点电位的不平衡也是制约该拓扑的一个重要因素。

图1

    三电平变换器的控制方法主要有正弦波调制PWM(SPWM)，选择性的消谐PWM(SHEPWM)，空间矢量PWM(SVPWM)。

三电平空间矢量控制PWM方法和两电平空间矢量的控制方法一样，也是一种建立在空间电压矢量合成概念上的PWM方法。三电平空间矢量方法的优点主要是电压利用率高，对于二极管中点钳位的变换电路可以利用冗余的电压矢量（一般都是小矢量）来实现直流侧电容电压的平衡；其缺点就是数字实现的时候计算量非常大,尤其是当电平数大于3的时候更加复杂。

选择性的消谐PWM方法，通过开关时刻的优化选择，可以在较低的开关频率下，产生最优的输出电压波形，从而减小了电流纹波和电动机的脉动转矩。在输出同样质量波形的时候，它较其它的方法，开关次数最少，效率最高。因此，在高压大功率的设备上多采用SHEPWM的控制方法。但是，这种方法的一个难点就是在计算开关角的时候，要解超越方程，现在通用的牛顿迭代法中，确定开关角的初值难以选择，计算比较困难。
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    而正弦波调制的方法的优点主要以下几点：

1）SPWM实现起来比较方便，可以模拟实现也可以用数字来实现，而且用数字来实现的时候，计算量小；

2）可以大大降低输出谐波含量，尤其是低频纹波，它的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置，因此在设计滤波器的时候，比较容易实现，而且成本较低；

3）对于任何数电平变换器，调制比可以在所有的工作范围内变化，注入合适的三次谐波，可以实现最大调制比1.15；

4）在载波中注入合适零序列，可以较好地平衡中点电位[2]。

本文在介绍三电平变换SPWM控制理论的基础上，讨论了用DSP来实现三电平SPWM控制的方法，并将仿真结果与实验结果进行了比较。
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2 三电平载波调制理论

从图1中可以看到，三电平逆变器的每一个桥臂上有4个开关管，4个反向恢复二极管和2个钳位二极管。以第一桥臂为例，其中开关管Sa1和Sa3的开关控制信号互补，Sa2和Sa4的开关控?信号也是互补的。Sa1和Sa2同时导通的时候，输出相电压为Ed/2；Sa2和Sa3同时导通的时候，输出的相电压为0；Sa3和Sa4同时导通的时候，输出的相电压为－Ed/2。为了确保电路中dv/dt不能太大，必须保证每个桥臂中只能有上面三种情况的两个开关管导通，绝不容许有3个开关管同时导通，但是，由于所采用的开关器件都不是理想的，开关管的开通和关断都需要一定的时间。因此，必须对开关控制信号加入死区时间。从上面分析可知，一个桥臂中，控制信号只有两个独立的控制信号。Sa1和Sa2的驱动控制信号是由2个具有同相位，同频率fc，相同的峰峰值Ac，且对称分布的三角载波和一个峰峰值为Am，频率为fm的正弦参考信号比较得到的。在三角载波和正弦波相交的时刻，如果正弦波的值大于载波的值，则开通相应的开关器件，反之则关断该器件。对于三电平变换器，幅度调制比ma和频率调制比mf定义[3]为

ma=Am/2Ac    （1）

mf=fc/fm    （2）

图2是调制比为ma=0.9，mf=9的三电平变换器的原理图。
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3 基于DSP的三电平SPWM的实现

TI公司的TMS320LF2407ADSP是面向电力电子控制领域的，它具有两个事件管理器模块EVA和EVB，能够实现PWM对称和非对称波形；外部引脚PDPINTx快速封锁PWM通道；可编程的死区控制；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道的A/D转换。另外，它还有串行通信接口(SCI)，16位的串行外设接口模块(SPI)和控制器局域网络(CAN)2.0B模块[4]。LF2407A可以很好地实现电力电子领域的控制。DSP实现SPWM控制三电平变换器的控制框图见图3。对称的规则采样PWM法比较简单，适合于数字控制的实现，它的原理是在三角载波的峰点（谷点）的时刻采样正弦波调制信号而形成的波形，采样周期Ts为三角载波的周期。用DSP实现SPWM控制的过程中，主要是计算各个载波周期内的开关时间。图4是计算载波周期内开关时间的中断程序流程图。中断程序主要就是计算第N个载波周期内的开关的时间，其中v0为正弦波的幅值。表1是DSP的信号与开关管对应表。表2是各个扇区内CMPRx的值表。

表1 DSP信号和主功率管的对应关系

PWM1	PWM2	PWM3	PWM4	PWM5	PWM6
Sa3	Sa1	Sa4	Sa2	Sb3	Sb1
PWM7	PWM8	PWM9	PWM10	PWM11	PWM12
Sb4	Sb2	Sc3	Sc1	Sc4	Sc2

表 2 CMPRx在各个区内的值

	CMPR1	CMPR2	CMPR3	CMPR4	CMPR5	CMPR6
Z1	v0sinθ	T	v0sin(π/3－θ)	T	0	T－v0sin(θ＋π/3)
Z2	v0sin(θ＋π/3)	T	0	T－v0sinθ	0	T－v0sin(π/3－θ)
Z3	v0sin(π/3－θ)	T	0	T－v0sin(θ＋π/3) v0sinθ	0	T
Z4	0	T－v0sinθ	0	T－v0sin(π/3－θ)	v0sin(θ＋π/3)	T
Z5	0	T－v0sin(θ＋π/3)	v0sinθ	T	v0sin(π/3－θ)	T
Z6	0	T－v0sin(π/3－θ)	v0sin(θ＋π/3)	T	0	T－v0sinθ

4 三电平SPWM的仿真研究

为

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