專利名稱：基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置及其方法，屬電子電力技術領域。
背景技術：
多電平變換器在大功率電力電子變換器、有源濾波器及特種交流電源等領域得到了廣泛應用。多電平變換電路的一般結構是通過幾個電平臺階合成階梯波、同時輔之以PWM調制以逼近所需的波形如正弦波。這種電路產生的電平數越多，逼近波形的失真率就越低。近年來，從不同的應用領域研發出了多種基于多電平變換的拓撲電路。其中最主要的有基于二極管或電容鉗位的“中點鉗位逆變電路”，使用多個獨立電源鉗位的“串級逆變電路”以及由其改進得到的“兩單元混合串級逆變電路”。
無論是基本的串級逆變電路，還是基于混合單元的串級逆變電路，其單元電路的結構都是基于全橋逆變結構并使用獨立直流電源進行電壓鉗位的。以采用功率晶體管作為開關器件為例，基本單元電路的結構如圖1所示，這個基本單元可產生3電平。同時導通Sa1和Sb2時可以在兩橋臂間產生一個正電平，同時導通Sa2和Sb1，可以產生大小相等，極性相反的負電平。當同時導通Sa1和Sb1或同時導通Sa2和Sb2時，則輸出零電平。混合單元串級逆變電路的基本思想是在電路功率單元的不同小單元中使用不同的功率器件，例如一個小單元使用IGBT，另一個小單元使用IGCT，如圖2所示。每個混合功率單元由兩個全橋逆變小單元組成，一個使用IGCT或IEGT等大容量功率器件，另一個小單元使用高開關頻率的IGBT。此時在耐壓高的IGCT單元上施加兩倍于IGBT單元的電壓，然后通過一定的控制邏輯就可以在相同開關器件數目下實現7電平的輸出波形，如表1所示。而這種結構的普通串級電路只能輸出5電平。
表1混合單元電壓比1∶2時輸出電平狀態分析(單位1電平單元＝1Vdc)
從以上分析可以看出，基于混合單元的串級逆變電路相比普通串級電路最顯著的優點是由于每個混合功率單元中兩個小單元預先給定的電壓不同，因此通過協調小單元間各橋臂的開通或關斷，就可以在相同數量的開關器件下，輸出更多電平數的波形。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置及其方法，鑒于混合單元串級逆變電路可以產生更多電平數輸出的波形的這一特點，在現有兩單元混合串級逆變電路的基礎上進一步改進電路裝置，并通過一定的控制方法實現在三單元、12個開關器件下的27電平輸出波形。由于原有的兩單元混合串級逆變電路是以提高輸出電壓和功率為目的的，而本發明的目的只是得到更多的輸出電平數，從而以很低的失真率模擬任意波形。所以本發明裝置中的所有全橋單元完全可以使用相同的開關器件，這樣即使按不同電壓比給各單元供電也不會超出器件工作電壓范圍。
本發明提出的基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生方法，包括以下各步驟1、要模擬的任意參考波形在Y軸方向上進行27等分，然后根據波形和27等分的交點記錄交點時間并保存；2、根據上述交點時間發出控制信號；3、根據上述控制信號產生27個電平，由該27個電平組合出所需的任意波形。
本發明提出的基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置，包括控制信號發生器、光耦隔離驅動器和三單元混合串級逆變主電路；其中的控制信號發生器通過光耦隔離驅動器與三單元混合串級逆變主電路相連；其中的三單元混合串級逆變主電路包括一個三副邊繞組變壓器、三個整流全橋以及三個獨立全橋單元，其中的三副邊繞組變壓器主邊與外交流電源相連，三個獨立全橋單元分別通過一個整流橋與變壓器的三個副邊相連。
本發明提出的基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置及其方法，由于電平數的大量增加可以使被模擬波形的失真率大大降低，這樣使通過該電路模擬任意波形成為了可能。在保證很低的失真率前提下可以將這一裝置應用到多種場合，如模擬正弦波進行交流變頻調速；使用該裝置還可以模擬任意不規則的波形。
圖1是已有技術中串級逆變電路的基本電路單元結構。同時導通Sa1和Sb2或同時導通Sa2和Sb1，就可在兩橋臂間產生極性相反的電平。當同時導通Sa1和Sb1或同時導通Sa2和Sb2時，則輸出零電平。
圖2是已有技術中兩單元的混合串級逆變電路。每個混合功率單元由兩個全橋逆變小單元組成，一個使用IGCT或IEGT等大容量功率器件(圖中暫以晶閘管符號代替IGCT或IEGT)，另一個小單元使用高開關頻率的IGBT。此時在耐壓高的IGCT單元上施加兩倍于IGBT單元的電壓，然后通過一定的控制邏輯就可以在相同開關器件數目下實現7電平的輸出波形。
圖3是本發明裝置的結構框圖。
圖4是本發明裝置中三單元混合串級逆變主電路圖。
圖5是27電平模擬正弦波形的方法仿真。
圖6是使用本裝置模擬的三角波波形效果。
圖7是使用本裝模擬的正弦波波形效果。
具體實施例方式本發明的電路裝置主要包括三個部分①控制信號發生器；②光耦隔離驅動器；③三單元混合串級逆變主電路。裝置框圖如圖3所示，其中①控制信號發生器為Intel80C196MC單片機電路，首先根據要模擬的波形編制數據表，然后根據該數據表編制27電平開關邏輯順序匯編程序，使用Intel80C196MC單片機電路輸出對混合串級逆變主電路中三個全橋單元內共12個功率器件的開關控制信號到光耦驅動電路；②光耦隔離驅動器使用TL P250光耦對控制信號進行光電隔離，然后將隔離后的27電平控制邏輯信號放大后輸出到三單元混合串級逆變主電路中的12個開關功率器件；③在三單元混合串級逆變主電路中首先通過交流電源對主電路中的三副邊繞組變壓器供電，然后對變壓器三副邊輸出電壓進行整流，將混合串級逆變主電路中三個獨立全橋單元的電容按電壓比為1∶3∶9進行充電。最后在光耦隔離驅動裝置提供的開關控制信號控制下按27電平開關邏輯分別開通三個單元中的12個功率器件，使主電路中的三個電容按相應邏輯分別輸出大小一定的電平，最后在輸出端通過示波器即可觀察到27個電平臺階組合出的任意波形。三單元混合串級逆變主電路如圖4所示。
本發明的控制方法是將被模擬的任意參考波形在Y軸(幅值)方向上27等分，然后根據參考波形27等分的交點在橫軸(時間軸)上的坐標編制時間數據表，即可組合出需要的波形。圖5是使用該方法模擬正弦波形的仿真結果。這種方法的具體原理在下文敘述。
下面是本發明的一個實施例使用上述的混合單元逆變電路裝置，輸出了模擬的三角波形和正弦波形。三角波波形效果如圖6所示，正弦波形效果如圖7所示。以下通過失真率的分析比較來說明這一裝置的效果。這里定義失真率v為參考波形所包圍的面積和27電平所逼近波形所包圍面積之差，和原參考波形面積的比，即v=|Sref-S27Sref|*100%---(1)]]>下面以逼近正弦波為例來說明此裝置的效果和優越性。設正弦參考波形幅值為13，周期為2Pi，則正弦參考波的面積為Sref=13*2∫0πSinωtdωt=52]]>此時如果采用27電平觸發，即在正弦參考波和27電平相交處觸發相應單元內的功率器件，則得到由27電平逼近的正弦波形面積為S27=2[2Σn=112(arcsin1313-arcsinn13)+(arcsin1-arcsin0)]=51.69922]]>此時按公式(1)計算的失真率為0.57841％。
為了進一步降低失真率，可以對觸發的時刻進行微調整。例如采用“0.5電平觸發”，即在(+/-)0.5、1.5、2.5...12.5電平處按表4觸發三單元中相應的開關器件，這也是本實驗中實際采用的觸發邏輯。則此時的27電平臺階逼近正弦波面積為S27=4[Σn=113(arcsin1313-arcsinn-0.513)]=52.08288]]>此時按公式(1)計算的失真率為0.15938％。而使用相同開關器件數的普通串級逆變電路和兩單元混合逆變電路在使用“0.5電平觸發”方法時，模擬正弦波形的失真率分別為1.20771％和0.38144％，由此可見27電平逼近的效果要大大優于原有電路。7.原理分析在現有的電壓比1∶2型混合單元逆變電路的基礎上，為了達到更多電平數輸出的波形，對原混合單元串級逆變電路裝置做了增加電壓比和增加全橋單元數量兩個改變。為了便于分析，首先定義各種串級逆變電路如下若“M”為混合串級電路的基本單元個數，則設N＝M－1。此時各單元間電壓比為{10∶11∶12...1N}的串級逆變電路定義為“1N型串級逆變電路”。同理，分別定義{20∶21∶22..2N}和{30∶31∶32..3N}為2N型和3N型混合串級逆變電路。
例如，給圖2中IGCT單元三倍于IGBT單元的直流電壓，即31型混合串級逆變電路。在電壓比為1∶3的情況下按表2所示邏輯控制各個單元就可以產生9電平的輸出，如表2所示。
表2混合單元電壓比1∶3時輸出電平狀態分析(單位1電平單元＝1Vdc)
進一步研究電壓比的改變可以發現，如果將電壓比設為1∶4或更高，輸出電平中就會出現超過1Vdc(單位電平)的跳變。此時由于dv/dt的增加會同時增加電路的諧波，因此把這樣的電路輸出用于逼近任意波形的實用價值不大。在改變電壓比的基礎上，為了實現更多電平的輸出，可以在保持電壓比的前提下繼續增加全橋單元的數量。表3為上述電路的輸出電平數和單相逆變橋所需開關器件數量的比較。表3混合單元中各小單元在不同電壓比下輸出電平數和使用器件數的比較(N為小單元數)
舉例說明，當N等于3時，開關器件同樣為12個，電壓比為1∶1∶1∶的混合單元輸出7個電平，1∶2∶4的混合單元可以輸出15個電平，而1∶3∶9的混合單元將輸出27個電平。32型混合串級逆變電路實現27電平輸出時各單元的輸出狀態如表4所示。表4 32型混合單元逆變電路27電平輸出時各小單元輸出狀態分析
權利要求
1.一種基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)模擬的任意參考波形在Y軸方向上進行27等分，然后根據波形和27等分的交點記錄交點時間并保存；(2)根據上述交點時間發出控制信號；(3)根據上述控制信號產生27個電平，由該27個電平組合出所需的任意波形。
2.一種基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生裝置，其特征在于該裝置包括控制信號發生器、光耦隔離驅動器和三單元混合串級逆變主電路；其中的控制信號發生器通過光耦隔離驅動器與三單元混合串級逆變主電路相連；其中的三單元混合串級逆變主電路包括一個三副邊繞組變壓器、三個整流全橋以及三個獨立全橋單元，其中的三副邊繞組變壓器主邊與外交流電源相連，三個獨立全橋單元分別通過一個整流橋與變壓器的三個副邊相連。
全文摘要
本發明涉及一種基于混合單元串級逆變電路的任意波形發生方法及裝置,首先將需要模擬的任意參考波形在Y軸方向上27等分,根據波形和27等分的交點記錄交點時間并保存,根據交點時間發出控制信號,根據控制信號產生27個電平,由該27個電平組合出所需的任意波形。波形發生裝置包括控制信號發生器、光耦隔離驅動器和三單元混合串級逆變主電路。本發明的方法及其裝置,由于電平數的大量增加可以使被模擬波形的失真率大大降低,通過該電路可以模擬任意波。在保證很低的失真率前提下可以將這一裝置應用到多種場合,如模擬正弦波進行交流變頻調速;使用該裝置還可以模擬任意不規則的波形,從而可以完成許多以前只能用軟件完成的工作如漢字識別。
文檔編號H02M7/42GK1334640SQ0113078
公開日2002年2月6日 申請日期2001年8月24日 優先權日2001年8月24日
發明者楊耕, 齊悅, 竇曰軒 申請人:清華大學