隨著大功率自關斷器件和智能高速微控制芯片的不斷發展，大功率電力電子變流裝置得到了越來越深入的研究，在大容量電機驅動、交直流電力傳輸等場合的應用范圍也越來越廣泛了。在大功率電力電子變流裝置的實現上，一個重要的問題就是大功率器件的工作頻率較低，無法適應PWM技術等優秀的調制技術。載波移相正弦波脈寬調制技術(Carrier phase-shifted SPWM，以下簡稱CPS-SPWM)是為了解決該問題而提出的新技術。
田納西大學的Peng F.Z.等人于1996年提出了級聯H橋型變流器的拓撲結構，并用于無功補償[1]。級聯H橋變流器主電路拓撲結構如圖1所示，由N個單相全橋模塊在交流側串聯構成一相橋臂對，直流側相互獨立，如圖1(a)所示。由3個橋臂對通過Y型或者△連接構成三相系統，如圖1(b)所示便為Y型接法示意圖。相對于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，這種級聯H橋型變流器具有如下優點：
1)各變流器單元結構相同，容易實現模塊化設計、安裝、維修;
2)直流側相互獨立，電壓均衡容易實現;
3)各變流器單元工作對稱，開關負荷平衡。
在電壓型變換電路中.輸出的交流電壓為矩形波。早期常用多重化技術把幾個矩形波輸出組合成逼近正弦波的波形。以提高容量、減小諧波對于Lx個三相變流電路單元(每個單元三相，此處用Lx表示多重化中三相變流器的單元數，以和下面N表示H橋的單元數區分，本文以每3-H橋為一個單元)，將其輸出波形的相位各錯開π/(3Lx)，連同抵消它們之間相位差的變壓器(移相變壓器)，可以構成脈波數為6Lx、的變流器系統。輸出波形中包含6kLx±1(k為正整數)次的諧波。但多重化技術存在以下不足：結構復雜，系統動態響應差;各裝置輸入/輸出波形須錯開一定的相位，造成基波損失。
多電平組合變流器是采用CPS—SPWM技術和多重化技術相結合的變流器。該類變流器等效開關頻率高、開關損耗小、動態響應快、通頻帶寬，便于采用不同的控制策略。H橋型拓撲在多電平變流器的基本拓撲中，具有結構簡單、需要最少數量的器件、不需要大量的鉗位二極管和飛跨電容、易于模塊化和采用軟開關技術等優點。本文介紹H橋的幾種基本結構及其級聯形式，并以級聯3-H橋為例.用TMS3201LF2407 DSP發出控制三相單模塊和單相兩模塊H橋的脈沖信號，使之分別輸出三相三電平和單相五電平。頻譜分析表明只含有開關整倍次及其邊帶諧波，和理論分析的完全一致。
1 H橋拓撲結構
H橋多電平變流器的基本結構有兩種：一種為三電平H橋(3-LeveL H-hridge.3-H)，另一種為五電平H橋(5-LeveL H-bridge，5-H)。其中，五電平H橋又包括二極管鉗位型和電容鉗位型兩種。3-H橋變流器的基本單元如圖1所示，這個基本單元可產生3電平輸出：同時導通S1和S3或S2和S4，就可在兩橋臂間產生極性相反的電平;當同時導通S1和S2或S3和S4時.則輸出零電平。
5-H橋變流器的基本單元如圖2所示.以一極管鉗位型為例來說明其電平生成情況、圖2(a)所示5-H單元由全橋式中點鉗位式電路組成，適當改變逆變器中晶體管的開關狀態，a點和n點可跟d0，d1和d2相連。假設直流側電壓Vdc為2E，電容上的電壓為Vdc/2。5-H橋基本單元輸出電壓Van可以有五種不同的取值：-2E，-E，0，E和2E。在這個拓撲中，電容上的電壓可以通過對冗余狀態的選擇保持平衡。
以圖1及圖2中的基本電路單元為基礎，可以得到圖3所示的級聯3-H變流器和圖4所示級聯5-H變流器。由3一H級聯而成的電壓型變頻器已由美國羅賓康公司發明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。根據系統對輸出電壓，電平數的要求可決定級聯的單元數。級聯3-H橋型變流器有很多優點：獲得同樣電平數輸出時，使用的元器件最少;每個變流器單元的結構相同，容易進行模塊化設汁和封裝;各變流器單元之間相對獨立，容易引入軟開關控制;直流側的均壓比較容易實現;各變流器單元的工作負荷一致等。對于級聯3-H變流器，級聯單元數N(每個3-H變流器為一個單元)和輸出波形電平數W之間滿足W=2N+l的關系;級聯5-H變流器對應關系為：W=4N+l。以上各變流器單元的獨立直流源電壓值相同。故若將各獨立電壓源的電壓值分別取為E、2E、4E……2N-1E，則其輸出的電平數就大幅度地增加到2N+1一l，即得到所謂的改進的級聯H橋型多電平變流器(Modified Cascade否H-bridgeMullevel Converter)。但此種拓撲導通器件數增多，開關損耗加大，電路整體效率下降，調制策略變得復雜，因而仍在探索階段。
2 載波相移SPWM(CPS-SPWM)調制原理
相移SPWM調制技術的基本思想是：在變流器單元數為N的電壓型SPWM組合裝置中，各變流器單元采用共同的調制波信號sm，其頻率為fm。各變流器單元的三角載波頻率為fc，將各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的1/(2N)，即三角載波Trl(1)、Trl(2)、Trl(3)……Trl(2N)的相位依次相差Tc/(2N)(式中Tc=l/fc).以變流器單元數N等于4為例如圖5(a)所示。各模塊輸出如圖5(b)所示.每個模塊的輸出都是兩個三角波與調制波相交產生的PWM信號的疊加.是三邏輯信號疊加后輸出如圖5(c)所示。2N個三角波Tri(i=1.2.3……2N)在整個調制波周期內均勻分布，所以，從輸出頻譜看，N個單元構成的級聯型變流器等效為2N單元的相移SPWM組合變流器，輸出為(2N+1)電平的PWM信號。其頻域模型為
式中除以下成分外均為零：
1)信號輸出f=fm
由此可見，采用載波相移方式的N單元變流器輸出信號電壓提高N倍.呈線性放大;等效開關頻率提高2N倍。
3 實驗
采用CPS—SPWM調制方法的級聯型H橋變流器，能夠在不使用變壓器的情況下，在較低的器件開關頻率下實現高載波頻率的效果。本文以3-H橋為例進行實驗，對于N單元級聯型3-H橋，產生(2N+1)電平的輸出，需要4N個開關管，即4N路PWM信號：由3N個單元級聯型3-H橋模塊組成的三相變流器產生三相(2N+1)電平，需要12N個開關管，12N路PWM信號。目前流行的控制器TMS320LF2407 DSP是Tl公司專為數字電機控制而設計的新一代數字處理器，2407在一塊芯片上集成了兩個事件管理器，共可以產生6對互補的PWM信號，可用于三相單模塊的三電平輸出，或單相五電平輸出。實驗輸出波形如圖6及圖8所示。頻譜分布如圖7及圖9所示。
結語
頻譜分析(圖7，圖9)表明，對于三相三電平諧波畸變率THD=O.6005，采用CPS—SPWM調制方法輸出五電平的諧波畸變率降到THD=0.2911。同時由頻譜圖顯然可見，輸出波形中只含有Nf次及其邊帶諧波(其中N為變流器單元數，f為單個開關頻率)即變流器的等效開關頻率提高到了N倍。當級聯的模塊數增加時，輸出波形的諧波會成比例地向高次移動，從而使得總的諧波畸變率大幅度降低，因而使得CPS—SPWM技術應用到H橋拓撲中在大功率方面有廣闊的應用前景。
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