一種三電平電源的控制方法、裝置及系統的制作方法

一種三電平電源的控制方法、裝置及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種三電平電源的控制方法、裝置及系統，屬于電力電子領域。對三電平電源控制時，針對三電平電源包括的每一橋電源單元，根據橋電源單元預設輸出電壓（即用戶設定期望輸出的電壓）的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值；并根據調制方波的頻率設置三角載波的頻率；設置好之后根據設置的參數產生并輸出三角載波和調制方波進行調制得到橋電源單元內各開關管的驅動信號，根據得到的驅動信號控制橋電源單元內的各開關管即可得到該橋電源單元的輸出電壓。也即本發明實施例實現了通過方波調制對三電平電源控制，輸出中、高頻電壓，并可以提升直流母線電壓利用率。
【專利說明】
一種三電平電源的控制方法、裝置及系統
技術領域
[0001]本發明涉及電力電子領域，尤其涉及一種三電平電源的控制方法、裝置及系統。
【背景技術】
[0002] 在很多應用場合需要三電平中頻電源，如臭氧發生器等。通過調節電源的頻率，使 得整個電路產生諧振，即此時電路呈現純阻性，功率因數高。一般達到諧振需要幾 KHz的工 頻電源。通過交-直-交的控制方式，將工頻電源整流成直流，然后逆變成電壓和頻率可調的 交流電。現有的常規實現方式是采用PWM調制，輸出頻率和幅值可調的交流電，而目前的調 制方法分SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調制）和SVM(Space Vector Modulation，空間矢量調制）。對于SPWM調制方法通過調制波和載波進行不對稱規 則采樣，計算每個開關周期開關的開通及關斷時間，通過控制調制波的頻率和幅值，進而產 生三相對稱的正弦波交流電源，在SPWM調制方法中，載波的頻率往往需選用遠大于調制波 的頻率，以保證二者在調制過程中有足夠的交點。而SVM則主要是通過空間矢量的調制方 法，通過控制旋轉電壓矢量的幅值和頻率，產生三相對稱的正弦波交流電源。
[0003] 本發明提出一種不同于上述兩種調制方法的新P麗調制方法。

【發明內容】

[0004] 本發明提供一種三電平電源的控制方法、裝置及系統，主要解決的技術問題是;對 三電平電源提供一種新的PWM調制方法。
[0005] 根據第一方面，一種實施例中提供三電平電源的控制方法，所述三電平電源包括 至少一個橋電源單元;所述方法包括：
[0006] 針對每一所述橋電源單元，根據所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值分別 設置調制方波的頻率和幅值；
[0007] 根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻率；
[0008] 產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制，得到所述橋電源單元內各開 關管的驅動?目號；
[0009] 根據所述驅動信號控制所述橋電源單元內的各開關管，得到所述橋電源單元的輸 出電壓。
[0010] 進一步地，根據所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率設置所述調制方波的頻率包 括：
[0011] 將所述調制方波的頻率設置為與所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率相等。
[0012] 進一步地，根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻率包括：
[0013] 當所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值時，將所述三角載波的 頻率設置為與所述調制方波的頻率相等。
[0014] 進一步地，所述三電平電源為三電平單相半橋電源、三電平單相Η橋電源或三電平 三相全橋電源。
[0015] 進一步地，所述三電平電源為三電平單相Η橋電源時，所述三電平單相Η橋電源的 兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比不相等，或所述兩個橋電源單元的占空比相等、三 角載波的相位相差預設角度α。
[0016] 進一步地，所述兩個橋電源單元的占空比相等、三角載波的相位相差預設角度α 時，針對各橋電源單元輸出所述三角載波和調制方波進行調制包括：
[0017] 同時輸出所述三角載波和所述調制方波；
[0018] 在三角載波的每個最低點和最高點更新所述調制方波的極性；
[0019] 根據所述三角載波和所述調制方波的交點對應生成所述各開關管的驅動信號。
[0020] 根據第二方面，一種實施例中提供一種三電平電源的控制裝置，所述三電平電源 包括至少一個橋電源單元;所述控制裝置包括控制器和信號處理器；
[0021] 所述信號處理器用于針對每一所述橋電源單元，根據該橋電源單元預設輸出電壓 的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根據所述調制方波的頻率設置三角載波 的頻率，以及用于產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制，輸出所述橋電源單 元內各開關管的驅動信號；
[0022] 所述控制器用于將所述驅動信號輸入所述橋電源單元，控制所述橋電源單元內的 各開關管得到所述橋電源單元的輸出電壓。
[0023] 進一步地，所述信號處理器用于在所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率大于預設 高頻閾值時，將所述調制方波的頻率設置為與所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率相等。 [0024]進一步地，所述信號處理器用于將所述三角載波的頻率設置為與所述調制方波的 頻率相等。
[0025] 進一步地，所述信號處理器還用于在所述三電平電源為三電平單相Η橋電源，且所 述三電平單相Η橋電源的兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比相等時，將所述兩個橋電 源單元的兩個三角載波的相位設置為相差預設角度α。
[0026] 根據第三方面，一種實施例中提供一種三電平電源系統，包括三電平電源和如上 所述的控制裝置;所述三電平電源包括至少一個橋電源單元;所述控制裝置與所述三電平 電源連接；
[0027] 所述控制裝置用于針對每一所述橋電源單元，根據該橋電源單元預設輸出電壓的 頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根據所述調制方波的頻率設置三角載波的 頻率，然后產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制得到對所述橋電源單元內各 開關管的驅動信號；以及用于根據所述驅動信號控制所述各開關管，得到所述橋電源單元 的輸出電壓。
[0028] 有益效果：
[0029]本發明實施例提供的三電平電源的控制方法、裝置及系統，對三電平電源控制時， 針對三電平電源包括的每一橋電源單元，根據橋電源單元預設輸出電壓（即用戶設定期望 輸出的電壓）的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值;并根據調制方波的頻率設置 三角載波的頻率;設置好之后根據設置的參數產生并輸出三角載波和調制方波進行調制得 到橋電源單元內各開關管的驅動信號，根據得到的驅動信號控制橋電源單元內的各開關管 即可得到該橋電源單元的輸出電壓。也即本發明實施例實現了通過方波調制對三電平電源 控制，可以提升直流母線利用率。
[0030] 進一步地，本發明實施例中，由于調制波采用方波，因此當橋電源單元預設輸出電 壓的頻率大于預設高頻閾值(例如2KHZ)時，還可將調制方波的頻率設置為與橋電源單元預 設輸出電壓的頻率相等，將三角載波的頻率設置為與調制方波的頻率相等，保證橋電源單 兀最終輸出電壓的頻率與載波頻率相等，可以有效減少在一個調制周期內開通和關斷的次 數，降低橋電源單元的開關損耗，使得電源散熱更易控制。
[0031] 進一步地，本發明實施例中電源為三電平單相Η橋電源，其兩個橋電源單元的占空 比相等時，還可進一步設置這兩個橋電源單元的三角載波的相位相差預設角度α，在調制時 對各橋電源單元的載波進行載波移相處理，可以有效降低開關導通和關斷過程中的，還 可有效減少輸出電壓的諧波含量。

【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明實施例一中的三電平電源的控制方法流程示意圖；
[0033] 圖2為本發明實施例二中的三電平電源系統結構示意圖；
[0034]圖3為圖2中三電平電源的一種拓撲結構示意圖；
[0035]圖4為圖2中三電平電源的另一種拓撲結構示意圖；
[0036]圖5為圖2中三電平電源的另一種拓撲結構不意圖；
[0037]圖6為圖2中控制裝置的結構示意圖；
[0038]圖7為本發明實施例三中對三電平單相半橋電源進行控制的信號比較示意圖； [0039]圖8為本發明實施例三中對三電平單相Η橋電源進行控制的信號比較示意圖；
[0040]圖9為本發明實施例三中對三電平單相Η橋電源進行控制的另一信號比較示意圖； [00411圖10為本發明實施例三中三電平三相全橋電源輸出占空比為60°輸出方波信號示 意圖；
[0042]圖11為本發明實施例三中三電平三相全橋電源輸出占空比為120°輸出方波信號 示意圖；
[0043]圖12為本發明實施例三中三電平三相全橋電源輸出占空比為180°輸出方波信號 示意圖。
【具體實施方式】
[0044]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例只是本發明中一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0045] 實施例一：
[0046] 本實施例對三電平電源控制過程中，采用的調制方式不同于現有SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調制）和SVM(Space Vector Modulation，空間矢量調制），而是采用方波調制。相對現有上述兩種調制方式，具有直流母 線利用率更高，在一個調制周期內開通和關斷的次數更少，開關損耗更低，散熱更易控制等 優點。本實施例中的三電平電源包含至少一個橋電源單元，具體包含橋電源單元的個數可 以根據具體的電源拓撲結構靈活設定。例如三電平電源為三電平單相半橋電源時，包含一 個橋電源單元;三電平電源為三電平單相Η橋電源時，包含兩個橋電源單元;三電平電源為 三電平三相全橋電源，包含三個橋電源單元。
[0047]應當理解的是，本實施例中的三電平電源包含的橋電源單元個數可以根據實際輸 出電壓需求等因素靈活設置，且本實施例中電源包含的多個橋電源單元的輸出電壓可以全 部相等，也可以根據實際需求設置為至少一個與其他不相等。另外，應當理解的是，本實施 例中三電平源包括的橋電源單元，各橋電源單元之間的連接關系以及具體結構可以根據具 體需求靈活設定。
[0048] 本實施例中，對三電平電源的控制方法包括對三電平電源的每一橋電源單元進行 圖1所示的以下控制：
[0049] S101:獲取橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值;該預設輸出電壓可以為用戶 根據實際需求所期望的橋電源單元的輸出電壓，其頻率和幅值也可以由用戶根據當前需求 靈活設定。
[0050] S102:根據橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅 值。
[0051 ]本實施例中，可將調制方波的頻率設置為與橋電源單元預設輸出電壓的頻率相 等。
[0052]本實施例中，對于根據橋電源單元輸出電壓的幅值確定調制方波的幅值，可以根 據輸出電壓的幅值、占空比確定輸出電壓為高電平時間t〇n，再根據t〇n，利用載波的周期、幅 值確定出調制方波的幅值。具體計算方式可以利用現有任意成熟的計算方式。在此不再贅 述。
[0053] S103:根據調制方波的頻率設置三角載波的頻率。
[0054]本實施例中，對于三角載波幅值的確定可以利用根據PWM調制原理得到，在此不再 贅述。
[0055] S104:根據上述設置產生并輸出三角載波和調制方波進行調制，得到橋電源單元 內各開關管的驅動信號。
[0056] S105:根據驅動信號控制橋電源單元內的各開關管，最終得到橋電源單元的輸出 電壓。
[0057] 通過圖1所述的步驟即可通過方波調制實現對各橋電源單元輸出電壓的控制。當 電源包含多個橋電源單元時，對于每個橋電源單元都可以按照圖1所示過程進行控制。
[0058]本實施例中，橋電源單元輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值(例如2KHZ)時，可將 三角載波的頻率設置為與調制方波的頻率相等。由于輸出電壓的頻率與調制方波頻率相 等，因此最終得到的輸出電壓的頻率與載波頻率相等。這也可以有效減少在一個調制周期 內調制方波與三角波的相交次數，進而減少一個調制周期內的開通和關斷的次數，降低開 關損耗，使得電源散熱更易控制。應當理解的得是，本實施例中的高頻閾值靈活設置，并不 限于上述示例的2KHZ。例如可以將其設置為保證較好的調制效果時，載波頻率能取的最低 載波頻率值。
[0059]本實施例中的三電平電源為三電平單相Η橋電源時，三電平單相Η橋電源的兩個橋 電源單元預設輸出電壓的占空比可以不相等，此時相電壓為對稱電壓方波輸出，線電壓由 對稱電壓疊加。三電平單相Η橋電源的兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比也可以相等， 此時可以將兩個橋電源單元的三角載波的相位設置為相差預設角度α;此時相電壓為不對 稱電壓方波輸出，線電壓為相移疊加。
[0060] 實施例中，當三電平電源為三電平單相Η橋電源，且其兩個橋電源單元的占空比相 等、為了有效降低開關導通和關斷過程中的
，可以設置且其兩個橋電源單元三角載波的 相位相差預設角度α，此時針對這兩個橋電源單元輸出三角載波和調制方波進行調制包括：
[0061] 同時輸出三角載波和所述調制方波；
[0062] 在三角載波的每個最低點和最高點更新所述調制方波的極性；
[0063] 根據三角載波和調制方波的交點對應生成各開關管的驅動信號。
[0064]因此為了保證橋電源單元輸出對稱的方波，需保證產生的驅動信號（也即ΠΜ波） 非對稱，因此在每個載波周期的最低點和最高點更新比較值，也即更新調制方波的極性。
[0065] 本實施例實現了通過方波調制對電源控制，可以提升直流母線利用率。且本實施 例中當橋電源單元預設輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值時，可直接將三角載波的頻率設 置為與調制方波的頻率相等，保證橋電源單元最終輸出電壓的頻率與載波頻率相等，能有 效減少在一個調制周期內開通和關斷的次數，降低橋電源單元的開關損耗。另外，三電平電 源包含多個橋電源單元時，在調制時對各橋電源單元的載波進行載波移相處理，因此可以 有效降低開關導通和關斷過程中的
，還可有效減少輸出電壓的諧波含量。
[0066] 實施例二：
[0067] 參見圖2所示，本實施例提供了一種電源系統，包括三電平電源21和控制裝置22; 三電平電源21電源包括至少一個橋電源單元211，控制裝置22與三電平電源21連接。本實施 例中的三電平電源21可以為三電平單相半橋電源、三電平單相Η橋電源或三電平三相全橋 電源或其他類型的三電平三相全橋電源。應當理解的是，本實施例中的電源包含的橋電源 單元個數可以根據實際輸出電壓需求等因素靈活設置，且本實施例中電源包含的多個橋電 源單元的輸出電壓可以全部相等，也可以根據實際需求設置為至少一個與其他不相等。下 面以三電平電源21的以上三種具體拓撲結構進行示例說明。請分別參見圖3、圖4和圖5所 示。圖3所示的三電平電源21為三電平單相半橋電源拓撲結構，包含1個橋電源單元，由開關 管Α1、開關管Α2、開關管A3、開關管Α4組成。圖4所示的三電平電源21為三電平單相Η橋電源 拓撲結構，包含2個橋電源單元，分別由開關管Α1、開關管Α2、開關管A3、開關管Α4和開關管 Β1、開關管Β2、開關管Β3、開關管Μ組成。圖5所示的三電平電源21為三電平三相全橋電源拓 撲結構，包含3個橋電源單元，分別由開關管Α1、開關管Α2、開關管A3、開關管Α4,開關管Β1、 開關管Β2、開關管Β3、開關管Β4組成以及開關管C1、開關管C2、開關管C3、開關管C4組成。 [0068]應當理解的是，本實施例中三電平電源21的具體拓撲結構可以根據實際需求靈活 設置，且各橋電源單元的具體結構也可以根據實際應用場景靈活設定。
[0069]本實施例中，控制裝置22對各橋電源單元，采用方波調制方式按實施例一所示控 制方法對各橋電源單元進行控制，相對于現有SPWM和SVM，具有直流母線利用率更高，在一 個調制周期內開通和關斷的次數更少，開關損耗更低，散熱更易控制等優點。具體的，控制 裝置22根據橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根 據調制方波的頻率設置三角載波的頻率，然后按照上述設置產生并輸出三角載波和調制方 波進行調制得到對橋電源單元內各開關管的驅動信號；以及根據驅動信號控制橋電源單元 的各開關管，得到橋電源單元的輸出電壓。
[0070] 具體的，參見圖6所示，本實施例中電源的控制裝置22包括信號處理器221和控制 器222;其中：
[0071] 信號處理器221用于針對各橋電源單元，根據橋電源單元預設輸出電壓的頻率和 幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻率， 以及用于按照上述設置產生并輸出三角載波和所述調制方波進行調制，輸出橋電源單元內 各開關管的驅動信號。
[0072] 本實施例中，信號處理器221可將調制方波的頻率設置為與橋電源單元預設輸出 電壓的頻率相等。對于根據橋電源單元輸出電壓的幅值確定調制方波的幅值，可以根據輸 出電壓的幅值、占空比確定輸出電壓為高電平時間U n，再根據t〇n，利用載波的周期、幅值確 定出調制方波的幅值。具體計算方式可以利用現有任意成熟的計算方式。在此不再贅述。 [0073]本實施例中，橋電源單元輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值(例如2KHZ)時，信號 處理器221還用于將三角載波的頻率設置為與調制方波的頻率相等。由于輸出電壓的頻率 與調制方波頻率相等，因此最終得到的輸出電壓的頻率與載波頻率相等。這也可以有效減 少在一個調制周期內調制方波與三角波的相交次數，進而減少一個調制周期內的開通和關 斷的次數，降低開關損耗，使得電源散熱更易控制。應當理解的得是，本實施例中的高頻閾 值靈活設置，并不限于上述示例的2KHZ。例如可以將其設置為保證較好的調制效果時，載波 頻率能取的最低載波頻率值。
[0074]控制器222用于將驅動信號輸入橋電源單元，控制橋電源單元內的各開關管得到 橋電源單元的輸出電壓。
[0075]本實施例中，三電平電源為三電平單相Η橋電源時，三電平單相Η橋電源的兩個橋 電源單元預設輸出電壓的占空比可以不相等，此時相電壓為對稱電壓方波輸出，線電壓由 對稱電壓疊加。三電平單相Η橋電源的兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比也可以相等， 此時可以將兩個橋電源單元的三角載波的相位設置為相差預設角度α;此時相電壓為不對 稱電壓方波輸出，線電壓為相移疊加。
[0076]實施例中，當三電平電源為三電平單相Η橋電源，且其兩個橋電源單元的占空比相 等，為了有效降低開關導通和關斷過程中的
，信號處理器221可以設置且其兩個橋電源 單元三角載波的相位相差預設角度α，此時信號處理器221針對這兩個橋電源單元輸出三角 載波和調制方波進彳丁調制包括：
[0077]同時輸出三角載波和所述調制方波；
[0078] 在三角載波的每個最低點和最高點更新所述調制方波的極性；
[0079] 根據三角載波和調制方波的交點對應生成各開關管的驅動信號。
[0080] 也即此時為了保證橋電源單元輸出對稱的方波，需保證產生的驅動信號（也即PWM 波)非對稱，因此信號處理器21在每個載波周期的最低點和最高點更新比較值，也即更新調 制方波的極性。
[0081 ] 應當理解的是，本實施例中的信號處理器21可以通過DSP(Digital Signal Processing)實現，且具體可以提供定時器工作于連續增減技術方式實現生成各種波。 [0082]本實施例中的控制裝置22通過方波調制對電源控制，可以提升直流母線利用率。 且控制裝置22可根據具體應用直接將三角載波的頻率設置為與調制方波的頻率相等，保證 橋電源單兀最終輸出電壓的頻率與載波頻率相等，能有效減少在一個調制周期內開通和關 斷的次數，降低橋電源單元的開關損耗。
[0083]另外，本實施例中的三電平電源為三電平單相Η橋電源，且其兩個橋電源單元的占 空比相等時，控制裝置22在調制時對各橋電源單元的載波進行載波移相處理，因此可以有
效降低開關導通和關斷過程中的一，還可有效減少輸出電壓的諧波含量。
[0084] 實施例三：
[0085]為了更好的理解本發明，本實施例以實施例二中的圖3、圖4以及圖5所示的三電平 電源拓撲結構，并結合方波函數對本發明的方案和效果做進一步示例說明。
[0086] 對于圖3所示的三電平電源的拓撲圖，橋電源單元包括Α1、Α2、Α3和Α4四個開關管。 如上所述，對于該橋電源單元的控制過程如下：
[0087] 獲取橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值。
[0088] 根據橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值(Vp 和Vn);具體的將調制方波的頻率設置為與橋電源單元預設輸出電壓的頻率相等。
[0089] 將三角載波的頻率設置為調制方波的頻率相等。
[0090] 根據設置產生并輸出三角載波和調制方波進行調制，得到橋電源單元內各A1、A2、 A3和A4四個開關管的驅動信號；
[0091] 根據A1、A2、A3和A4四個開關管的驅動信號分別控制A1、A2、A3和A4四個開關管最 終輸出圖7所示的Ucmt。圖7中TjPT 2分別為橋電源單元在正負周期輸出高電平的時間，h = T2 = Τ〇η。T?為三角載波的周期，也等于調制方波的周期，其中T?包含6個Τ〇η。
[0092] 由圖7可以得到各開關管的開關導通狀態見表1所示。
[0093] 表 1
[0095]根據圖7可知，單個橋電源單元輸出方波函數如下：
[0109]單個橋電源單元的輸出電壓含有1、3、5…等奇次諧波，其中基波：
[0111] 由上式可知，輸出電壓的基波頻率即為載波頻率，其幅值由Τ〇η決定。
[0112] '，因此有較高的電壓 利用率。
[0113]對于圖4所示的三電平單相Η橋電源的拓撲圖，對于圖4中A線對應的橋電源單元的 四個開關管A1、A2、A3和A4，以及B線對應的橋單元的四個開關管B1、B2、B3和B可分別進行上 述控制，然后A線和B線的電壓差作為電源輸出。
[0114]具體的，三電平單相Η橋電源的電壓輸出取AB相間的線電壓，線電壓的計算方式： 1]。1^ = 11?-1^。線電壓的輸出有兩種方式：（1)相電壓為對稱電壓方波輸出，線電壓由對稱電 壓疊加；（2)相電壓為不對稱電壓方波輸出，線電壓為相移疊加。下面分別結合上述兩種方 式對本實施例進行進一步說明。
[0115] (1)對稱電壓輸出方式:兩相電壓的占空比時間不等；
[0116] 采用上述方波調制方式分別對Α線對應的橋電源單元和Β線對應的橋電源單元進 行控制得到輸出的過程參見圖8所示。根據圖8可以得到A線和B線對應的開關狀態表，見下 表2所示：
[0117] 表2
[0118]
[0119] 圖8中UA和UB分別為A線對應的橋電源單元和B線對應的橋電源單元的輸出電壓， Uout為Ua和Ub疊加后輸出的電源電壓，從圖中可以看出疊加后輸出的電源電壓為階梯形。
[0120] 圖8中為對稱電壓輸出，TifTs，則基于上述單個橋電源單元的輸出電壓基波有基 波公式可以得到三電平單相Η橋電源的基波公式如下：
[0122] 根據上式可知，輸出電壓的基波幅值也為載波頻率，其幅值由每相的占空比決定。
[0123] (2)不對稱電壓輸出，相電壓有相移，但占空比時間相等。
[0124] 采用上述方波調制方式分別對Α線對應的橋電源單元和Β線對應的橋電源單元進 行控制得到輸出的過程參見圖9所示。根據圖9可以得到A線和B線對應的開關狀態表，見下 表3所示：
[0125] 表3
[0128]
>相移角度也可以為負（即B相電壓的相位超前于A
相電壓的相位）；此過程中，由于輸出PWM波形為不對稱采樣，因此每個載波周期需要更新兩 次比較寄存器值，在上圖中兩個Update點處，即載波最高點和載波最低點進行更新。
[0129] 圖9中UA和UB分別為A線對應的橋電源單元和B線對應的橋電源單元的輸出電壓，二 者Uqut為Ua和Ub疊加后輸出的電源電壓，從圖中可以看出疊加后輸出的電源電壓也為階梯 形。
[0130] 如上所述，圖9中由于其電壓輸出波形與對稱電壓輸出相同，因此，為保證輸出電 壓基波的正弦度，需要TsiTi+AT，即相移所對應的時間為ΔΤ。此時基于上述單個橋電源單 元的輸出電壓基波有基波公式可以得到三電平單相Η橋電源的基波仍為：
[0132]根據基波幅值對比：
[0135] 因此單相Η橋的輸出電壓比單相半橋的輸出電壓大。
[0136] iTpTsrTon，為保證電壓輸出正常，需要ΔΤ = 0,此時輸出電壓幅值最大：

[0138]此時輸出電壓基波幅值超過了母線電壓，為母線電壓的 ，有很高的電壓利用 率。
[0139]且由于如圖8、圖9中階梯形的線電壓電壓輸出波形，可在開關管開通和關斷過程 中，有效地抑制du/dt。
[0140]對于圖5所示的三電平三相全橋方波電源圖譜結構，由于三相對稱且相電壓相移 120°，因此三相輸出電壓一致，可用AB兩相的線電壓類推其他兩線電壓。下面僅以AB兩相的 線電壓進行示例說明。參見圖10-12所示。圖10所示為A線橋電源單元和B線橋電源單元輸出 占空比為60°時的線電壓輸出示例。圖11所示為A線橋電源單元和B線橋電源單元輸出占空 比為120°時的線電壓輸出示例。圖12所示為A線橋電源單元和B線橋電源單元輸出占空比為 180°時的線電壓輸出示例。
[0141]由圖10-12可知，三種情況足以概括所有對稱P麗調制的電壓輸出，占空比角度在 60°以下時，與圖10類似；占空比角度(60°，120°)時，與圖11類似；占空比角度（120°，180°) 時，與圖12類似;若占空比角度超過180°，則三相線電壓正負不對稱;線電壓、可以根據線電 壓相移120°得到。
[0142]基于上述單個橋電源單元的輸出電壓基波有基波公式可以得到AB兩相的線電壓 的基波為：

[0145] 由上式可知，基波幅值由Ton決定，為單相半橋方波電源的方倍，為母線電壓的
[0146] 占空比對應角度Θ的范圍為:60°<θ<120°或120°<θ<180°時，線電壓波形為五 電平階梯波；占空比對應角度為120°時，線電壓波形為四電平階梯波；因此，相對于單相Η橋 有更小的du/dt。
[0147] 由上三種拓撲可知，本實施例中采用方波調制，占空比決定了輸出電壓的基波幅 值，單相基波幅值最大
，三相基波幅值最大
；載波頻率決定了輸出電壓的基波 頻率，對于開關器件來說，載波頻率可以很高，從而輸出電壓的基波頻率也能達到對應頻 率。
[0148] 對于三電平拓撲中點電壓平衡
[0149] 1)三電平單相半橋方波電源中點電壓平衡
[0150] 假設，圖3中電流方向為正，此時中點電壓對應關系表見下表4所示。
[0151] 表4
[0153] 由于在相同電流方向時，不同的開關狀態對中點電壓偏移量的影響相同，因此不 可以通過增加或減少對應開關狀態的時間來調節中點電壓。只能通過在不同電流狀態時的 開關狀態切換來保證中點電壓的平衡。
[0154] 2)三電平單相Η橋方波電源中點電壓平衡
[0155] 假設，圖4中電流方向為正；由于線電壓狀態ΡΝ、ΝΡ、ΡΡ、ΝΝ四種狀態對中點電壓沒 有影響，可忽略；中點電壓對應關系表見下表5所示：
[0156] 表5
[0157]
[0158] 以Ρ0開關狀態為例，若在電流方向為正時，中點電壓偏高，需要將開關狀態0Ν或0Ρ 的作用時間增加，以降低中點電壓的偏移量。其他三個開關狀態以此類推。其中的作用時間 增加量可通過對中點電壓偏移量進行PI調節得出。
[0159] 3)三電平三相全橋方波電源中點電壓平衡
[0160] 三相全橋的三電平中點電壓平衡調節與經典三電平的SPWM或SVPWM的中點電壓調 節一致，不贅述。
[0161] 可見，采用本發明實施例提供的方波調制方案，可以使得輸出電壓頻率等于載波 頻率，且可以提升直流母線利用率。
[0162] 另外本發明實施例采用三電平單相Η橋方波調制，通過電壓疊加或電壓移相，可有 效抑制開關器件在開關過程中的du/dt;且對于三電平三相全橋的方波調制，通過控制占空 比對應角度，可同樣有效抑制開關過程中的du/dt;
[0163] 本發明實施例采用I型三電平拓撲進行方波調制示例說明，但應當理解并不限于I 型三電平拓撲，可擴展至T型等其他三電平拓撲結構，通用性好。
[0164] 本發明實施例采用三電平拓撲進行方波調制示例說明，但應當理解并不限于三電 平拓撲，可擴展至五電平、七電平等更多電平的拓撲結構；
[0165] 本發明實施例中示例的開關管采用IGBT作為功率開關器件，但應當理解的是并不 限于IGBT，可使用M0SFET、IGCT等更大開關頻率的器件。
[0166] 綜上，本發明實施例利用三電平拓撲進行方波電壓調制，解決傳統SPWM和SVM調制 帶來的輸出頻率不夠高的問題。可有效提高輸出電壓頻率，可應用于高中低壓場合。同時方 波調制對直流母線的利用率較高，可保證更寬的輸出電壓幅值和頻率，同時相對于兩電平 拓撲，在開關過程中有更低的du/dt。
[0167]以上內容是結合具體的實施方式對本發明實施例所作的進一步詳細說明，不能認 定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明 的保護范圍。
【主權項】
1. 一種三電平電源的控制方法，其特征在于，所述三電平電源包括至少一個橋電源單 元;所述方法包括： 針對每一所述橋電源單元，根據所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率和幅值分別設置 調制方波的頻率和幅值； 根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻率； 產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制，得到所述橋電源單元內各開關管 的驅動信號； 根據所述驅動信號控制所述橋電源單元內的各開關管，得到所述橋電源單元的輸出電 壓。2. 如權利要求1所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，根據所述橋電源單元預設 輸出電壓的頻率設置所述調制方波的頻率包括： 將所述調制方波的頻率設置為與所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率相等。3. 如權利要求2所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，根據所述調制方波的頻率 設置三角載波的頻率包括： 當所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值時，將所述三角載波的頻率 設置為與所述調制方波的頻率相等。4. 如權利要求1-3任一項所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，所述三電平電源 為三電平單相半橋電源、三電平單相H橋電源或三電平三相全橋電源。5. 如權利要求4所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，所述三電平電源為三電平 單相H橋電源時，所述三電平單相H橋電源的兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比不相 等，或所述兩個橋電源單元預設輸出電壓的占空比相等、三角載波的相位相差預設角度&。6. 如權利要求5所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，所述兩個橋電源單元的占 空比相等、三角載波的相位相差預設角度〇_時，針對各橋電源單元輸出所述三角載波和調 制方波進行調制包括： 同時輸出所述三角載波和所述調制方波； 在二角載波的每個最低點和最尚點更新所述調制方波的極性； 根據所述三角載波和所述調制方波的交點對應生成所述各開關管的驅動信號。7. -種三電平電源的控制裝置，其特征在于，所述三電平電源包括至少一個橋電源單 元;所述控制裝置包括控制器和信號處理器； 所述信號處理器用于針對每一所述橋電源單元，根據該橋電源單元預設輸出電壓的頻 率和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻 率，以及用于產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制，輸出所述橋電源單元內 各開關管的驅動信號； 所述控制器用于將所述驅動信號輸入所述橋電源單元，控制所述橋電源單元內的各開 關管得到所述橋電源單元的輸出電壓。8. 如權利要求7所述的三電平電源的控制裝置，其特征在于，所述信號處理器用于在所 述橋電源單元預設輸出電壓的頻率大于預設高頻閾值時，將所述調制方波的頻率設置為與 所述橋電源單元預設輸出電壓的頻率相等。9. 如權利要求8所述的三電平電源的控制裝置，其特征在于，所述信號處理器用于將所 述三角載波的頻率設置為與所述調制方波的頻率相等。10. 如權利要求7-9任一項所述的三電平電源的控制裝置，其特征在于，所述信號處理 器還用于在所述三電平電源為三電平單相H橋電源，且所述三電平單相H橋電源的兩個橋電 源單元預設輸出電壓的占空比相等時，將所述兩個橋電源單元的兩個三角載波的相位設置 為相差預設角度心。11. 一種三電平電源系統，其特征在于，包括三電平電源和如權利要求7-10任一項所述 的控制裝置;所述三電平電源包括至少一個橋電源單元;所述控制裝置與所述三電平電源 連接； 所述控制裝置用于針對每一所述橋電源單元，根據該橋電源單元預設輸出電壓的頻率 和幅值分別設置調制方波的頻率和幅值，并根據所述調制方波的頻率設置三角載波的頻 率，然后產生并輸出所述三角載波和所述調制方波進行調制得到對所述橋電源單元內各開 關管的驅動信號；以及用于根據所述驅動信號控制所述各開關管，得到所述橋電源單元的 輸出電壓。
【文檔編號】H02M7/5387GK106026730SQ201610497180
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】陳杰, 凡念, 桂峰, 李忠鋒, 徐鐵柱
【申請人】蘇州英威騰電力電子有限公司