一種三電平電源的控制方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種三電平電源的控制方法、裝置及系統(tǒng)，屬于電力電子領(lǐng)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(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓（即用戶設(shè)定期望輸出的電壓）的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值；并根據(jù)調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率；設(shè)置好之后根據(jù)設(shè)置的參數(shù)產(chǎn)生并輸出三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制得到橋電源單元內(nèi)各開關(guān)管的驅(qū)動信號，根據(jù)得到的驅(qū)動信號控制橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)管即可得到該橋電源單元的輸出電壓。也即本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了通過方波調(diào)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(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，尤其涉及一種三電平電源的控制方法、裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在很多應(yīng)用場合需要三電平中頻電源，如臭氧發(fā)生器等。通過調(diào)節(jié)電源的頻率，使 得整個電路產(chǎn)生諧振，即此時電路呈現(xiàn)純阻性，功率因數(shù)高。一般達(dá)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(diào)的 交流電?，F(xiàn)有的常規(guī)實(shí)現(xiàn)方式是采用PWM調(diào)制，輸出頻率和幅值可調(diào)的交流電，而目前的調(diào) 制方法分SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調(diào)制）和SVM(Space Vector Modulation，空間矢量調(diào)制）。對于SPWM調(diào)制方法通過調(diào)制波和載波進(jìn)行不對稱規(guī) 則采樣，計(jì)算每個開關(guān)周期開關(guān)的開通及關(guān)斷時間，通過控制調(diào)制波的頻率和幅值，進(jìn)而產(chǎn) 生三相對稱的正弦波交流電源，在SPWM調(diào)制方法中，載波的頻率往往需選用遠(yuǎn)大于調(diào)制波 的頻率，以保證二者在調(diào)制過程中有足夠的交點(diǎn)。而SVM則主要是通過空間矢量的調(diào)制方 法，通過控制旋轉(zhuǎn)電壓矢量的幅值和頻率，產(chǎn)生三相對稱的正弦波交流電源。
[0003] 本發(fā)明提出一種不同于上述兩種調(diào)制方法的新P麗調(diào)制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種三電平電源的控制方法、裝置及系統(tǒng)，主要解決的技術(shù)問題是;對 三電平電源提供一種新的PWM調(diào)制方法。
[0005] 根據(jù)第一方面，一種實(shí)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(jù)所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值分別 設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值；
[0007] 根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率；
[0008] 產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，得到所述橋電源單元內(nèi)各開 關(guān)管的驅(qū)動?目號；
[0009] 根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)管，得到所述橋電源單元的輸 出電壓。
[0010] 進(jìn)一步地，根據(jù)所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率設(shè)置所述調(diào)制方波的頻率包 括：
[0011] 將所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相等。
[0012] 進(jìn)一步地，根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率包括：
[0013] 當(dāng)所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值時，將所述三角載波的 頻率設(shè)置為與所述調(diào)制方波的頻率相等。
[0014] 進(jìn)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(jìn)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)角度α。
[0016] 進(jìn)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(yù)設(shè)角度α 時，針對各橋電源單元輸出所述三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制包括：
[0017] 同時輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波；
[0018] 在三角載波的每個最低點(diǎn)和最高點(diǎn)更新所述調(diào)制方波的極性；
[0019] 根據(jù)所述三角載波和所述調(diào)制方波的交點(diǎn)對應(yīng)生成所述各開關(guān)管的驅(qū)動信號。
[0020] 根據(jù)第二方面，一種實(shí)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(jù)該橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓 的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波 的頻率，以及用于產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，輸出所述橋電源單 元內(nèi)各開關(guān)管的驅(qū)動信號；
[0022] 所述控制器用于將所述驅(qū)動信號輸入所述橋電源單元，控制所述橋電源單元內(nèi)的 各開關(guān)管得到所述橋電源單元的輸出電壓。
[0023] 進(jìn)一步地，所述信號處理器用于在所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè) 高頻閾值時，將所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相等。 [0024]進(jìn)一步地，所述信號處理器用于將所述三角載波的頻率設(shè)置為與所述調(diào)制方波的 頻率相等。
[0025] 進(jìn)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(yù)設(shè)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(shè)置為相差預(yù)設(shè)角度α。
[0026] 根據(jù)第三方面，一種實(shí)施例中提供一種三電平電源系統(tǒng)，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(jù)該橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的 頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的 頻率，然后產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制得到對所述橋電源單元內(nèi)各 開關(guān)管的驅(qū)動信號；以及用于根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述各開關(guān)管，得到所述橋電源單元 的輸出電壓。
[0028] 有益效果：
[0029]本發(fā)明實(shí)施例提供的三電平電源的控制方法、裝置及系統(tǒng)，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(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓（即用戶設(shè)定期望 輸出的電壓）的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值;并根據(jù)調(diào)制方波的頻率設(shè)置 三角載波的頻率;設(shè)置好之后根據(jù)設(shè)置的參數(shù)產(chǎn)生并輸出三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制得 到橋電源單元內(nèi)各開關(guān)管的驅(qū)動信號，根據(jù)得到的驅(qū)動信號控制橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)管 即可得到該橋電源單元的輸出電壓。也即本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了通過方波調(diào)制對三電平電源 控制，可以提升直流母線利用率。
[0030] 進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例中，由于調(diào)制波采用方波，因此當(dāng)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電 壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值(例如2KHZ)時，還可將調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與橋電源單元預(yù) 設(shè)輸出電壓的頻率相等，將三角載波的頻率設(shè)置為與調(diào)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(diào)制周期內(nèi)開通和關(guān)斷的次 數(shù)，降低橋電源單元的開關(guān)損耗，使得電源散熱更易控制。
[0031] 進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)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(jìn)一步設(shè)置這兩個橋電源單元的三角載波的相位相差預(yù)設(shè)角度α，在調(diào)制時 對各橋電源單元的載波進(jìn)行載波移相處理，可以有效降低開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例二中的三電平電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為圖2中三電平電源的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為圖2中三電平電源的另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖5為圖2中三電平電源的另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不意圖；
[0037]圖6為圖2中控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖7為本發(fā)明實(shí)施例三中對三電平單相半橋電源進(jìn)行控制的信號比較示意圖； [0039]圖8為本發(fā)明實(shí)施例三中對三電平單相Η橋電源進(jìn)行控制的信號比較示意圖；
[0040]圖9為本發(fā)明實(shí)施例三中對三電平單相Η橋電源進(jìn)行控制的另一信號比較示意圖； [00411圖10為本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(shí)施方式】
[0044]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明中一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0045] 實(shí)施例一：
[0046] 本實(shí)施例對三電平電源控制過程中，采用的調(diào)制方式不同于現(xiàn)有SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調(diào)制）和SVM(Space Vector Modulation，空間矢量調(diào)制），而是采用方波調(diào)制。相對現(xiàn)有上述兩種調(diào)制方式，具有直流母 線利用率更高，在一個調(diào)制周期內(nèi)開通和關(guān)斷的次數(shù)更少，開關(guān)損耗更低，散熱更易控制等 優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)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(shù)可 以根據(jù)具體的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活設(shè)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(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施例中的三電平電源包含的橋電源單元個數(shù)可以根據(jù)實(shí)際輸 出電壓需求等因素靈活設(shè)置，且本實(shí)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(jù)實(shí)際需求設(shè)置為至少一個與其他不相等。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)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(guān)系以及具體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具 體需求靈活設(shè)定。
[0048] 本實(shí)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(jìn)行 圖1所示的以下控制：
[0049] S101:獲取橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值;該預(yù)設(shè)輸出電壓可以為用戶 根據(jù)實(shí)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(jù)當(dāng)前需求 靈活設(shè)定。
[0050] S102:根據(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅 值。
[0051 ]本實(shí)施例中，可將調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相 等。
[0052]本實(shí)施例中，對于根據(jù)橋電源單元輸出電壓的幅值確定調(diào)制方波的幅值，可以根 據(jù)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(jù)t〇n，利用載波的周期、幅 值確定出調(diào)制方波的幅值。具體計(jì)算方式可以利用現(xiàn)有任意成熟的計(jì)算方式。在此不再贅 述。
[0053] S103:根據(jù)調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率。
[0054]本實(shí)施例中，對于三角載波幅值的確定可以利用根據(jù)PWM調(diào)制原理得到，在此不再 贅述。
[0055] S104:根據(jù)上述設(shè)置產(chǎn)生并輸出三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，得到橋電源單元 內(nèi)各開關(guān)管的驅(qū)動信號。
[0056] S105:根據(jù)驅(qū)動信號控制橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)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(diào)制實(shí)現(xiàn)對各橋電源單元輸出電壓的控制。當(dāng) 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(jìn)行控制。
[0058]本實(shí)施例中，橋電源單元輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值(例如2KHZ)時，可將 三角載波的頻率設(shè)置為與調(diào)制方波的頻率相等。由于輸出電壓的頻率與調(diào)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(diào)制周期 內(nèi)調(diào)制方波與三角波的相交次數(shù)，進(jìn)而減少一個調(diào)制周期內(nèi)的開通和關(guān)斷的次數(shù)，降低開 關(guān)損耗，使得電源散熱更易控制。應(yīng)當(dāng)理解的得是，本實(shí)施例中的高頻閾值靈活設(shè)置，并不 限于上述示例的2KHZ。例如可以將其設(shè)置為保證較好的調(diào)制效果時，載波頻率能取的最低 載波頻率值。
[0059]本實(shí)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(shè)置為相差預(yù)設(shè)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(shí)施例中，當(dāng)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(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的
，可以設(shè)置且其兩個橋電源單元三角載波的 相位相差預(yù)設(shè)角度α，此時針對這兩個橋電源單元輸出三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制包括：
[0061] 同時輸出三角載波和所述調(diào)制方波；
[0062] 在三角載波的每個最低點(diǎn)和最高點(diǎn)更新所述調(diào)制方波的極性；
[0063] 根據(jù)三角載波和調(diào)制方波的交點(diǎn)對應(yīng)生成各開關(guān)管的驅(qū)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(chǎn)生的驅(qū)動信號（也即ΠΜ波） 非對稱，因此在每個載波周期的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)更新比較值，也即更新調(diào)制方波的極性。
[0065] 本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了通過方波調(diào)制對電源控制，可以提升直流母線利用率。且本實(shí)施 例中當(dāng)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值時，可直接將三角載波的頻率設(shè) 置為與調(diào)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(diào)制周期內(nèi)開通和關(guān)斷的次數(shù)，降低橋電源單元的開關(guān)損耗。另外，三電平電 源包含多個橋電源單元時，在調(diào)制時對各橋電源單元的載波進(jìn)行載波移相處理，因此可以 有效降低開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的
，還可有效減少輸出電壓的諧波含量。
[0066] 實(shí)施例二：
[0067] 參見圖2所示，本實(shí)施例提供了一種電源系統(tǒng)，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(shí)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(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施例中的電源包含的橋電源 單元個數(shù)可以根據(jù)實(shí)際輸出電壓需求等因素靈活設(shè)置，且本實(shí)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(jù)實(shí)際需求設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含1個橋電源單元，由開關(guān) 管Α1、開關(guān)管Α2、開關(guān)管A3、開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含2個橋電源單元，分別由開關(guān)管Α1、開關(guān)管Α2、開關(guān)管A3、開關(guān)管Α4和開關(guān)管 Β1、開關(guān)管Β2、開關(guān)管Β3、開關(guān)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(jié)構(gòu)，包含3個橋電源單元，分別由開關(guān)管Α1、開關(guān)管Α2、開關(guān)管A3、開關(guān)管Α4,開關(guān)管Β1、 開關(guān)管Β2、開關(guān)管Β3、開關(guān)管Β4組成以及開關(guān)管C1、開關(guān)管C2、開關(guān)管C3、開關(guān)管C4組成。 [0068]應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施例中三電平電源21的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需求靈活 設(shè)置，且各橋電源單元的具體結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景靈活設(shè)定。
[0069]本實(shí)施例中，控制裝置22對各橋電源單元，采用方波調(diào)制方式按實(shí)施例一所示控 制方法對各橋電源單元進(jìn)行控制，相對于現(xiàn)有SPWM和SVM，具有直流母線利用率更高，在一 個調(diào)制周期內(nèi)開通和關(guān)斷的次數(shù)更少，開關(guān)損耗更低，散熱更易控制等優(yōu)點(diǎn)。具體的，控制 裝置22根據(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根 據(jù)調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率，然后按照上述設(shè)置產(chǎn)生并輸出三角載波和調(diào)制方 波進(jìn)行調(diào)制得到對橋電源單元內(nèi)各開關(guān)管的驅(qū)動信號；以及根據(jù)驅(qū)動信號控制橋電源單元 的各開關(guān)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(shí)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(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和 幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率， 以及用于按照上述設(shè)置產(chǎn)生并輸出三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，輸出橋電源單元內(nèi) 各開關(guān)管的驅(qū)動信號。
[0072] 本實(shí)施例中，信號處理器221可將調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與橋電源單元預(yù)設(shè)輸出 電壓的頻率相等。對于根據(jù)橋電源單元輸出電壓的幅值確定調(diào)制方波的幅值，可以根據(jù)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(jù)t〇n，利用載波的周期、幅值確 定出調(diào)制方波的幅值。具體計(jì)算方式可以利用現(xiàn)有任意成熟的計(jì)算方式。在此不再贅述。 [0073]本實(shí)施例中，橋電源單元輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)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(shè)置為與調(diào)制方波的頻率相等。由于輸出電壓的頻率 與調(diào)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(diào)制周期內(nèi)調(diào)制方波與三角波的相交次數(shù)，進(jìn)而減少一個調(diào)制周期內(nèi)的開通和關(guān) 斷的次數(shù)，降低開關(guān)損耗，使得電源散熱更易控制。應(yīng)當(dāng)理解的得是，本實(shí)施例中的高頻閾 值靈活設(shè)置，并不限于上述示例的2KHZ。例如可以將其設(shè)置為保證較好的調(diào)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(qū)動信號輸入橋電源單元，控制橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)管得到 橋電源單元的輸出電壓。
[0075]本實(shí)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)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(shè)置為相差預(yù)設(shè)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(shí)施例中，當(dāng)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(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的
，信號處理器221可以設(shè)置且其兩個橋電源 單元三角載波的相位相差預(yù)設(shè)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(diào)制方波進(jìn)彳丁調(diào)制包括：
[0077]同時輸出三角載波和所述調(diào)制方波；
[0078] 在三角載波的每個最低點(diǎn)和最高點(diǎn)更新所述調(diào)制方波的極性；
[0079] 根據(jù)三角載波和調(diào)制方波的交點(diǎn)對應(yīng)生成各開關(guān)管的驅(qū)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(chǎn)生的驅(qū)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(diǎn)和最高點(diǎn)更新比較值，也即更新調(diào) 制方波的極性。
[0081 ] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)施例中的信號處理器21可以通過DSP(Digital Signal Processing)實(shí)現(xiàn)，且具體可以提供定時器工作于連續(xù)增減技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)生成各種波。 [0082]本實(shí)施例中的控制裝置22通過方波調(diào)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(jù)具體應(yīng)用直接將三角載波的頻率設(shè)置為與調(diào)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(diào)制周期內(nèi)開通和關(guān) 斷的次數(shù)，降低橋電源單元的開關(guān)損耗。
[0083]另外，本實(shí)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(diào)制時對各橋電源單元的載波進(jìn)行載波移相處理，因此可以有
效降低開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程中的一，還可有效減少輸出電壓的諧波含量。
[0084] 實(shí)施例三：
[0085]為了更好的理解本發(fā)明，本實(shí)施例以實(shí)施例二中的圖3、圖4以及圖5所示的三電平 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合方波函數(shù)對本發(fā)明的方案和效果做進(jìn)一步示例說明。
[0086] 對于圖3所示的三電平電源的拓?fù)鋱D，橋電源單元包括Α1、Α2、Α3和Α4四個開關(guān)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(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值。
[0088] 根據(jù)橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值(Vp 和Vn);具體的將調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相等。
[0089] 將三角載波的頻率設(shè)置為調(diào)制方波的頻率相等。
[0090] 根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生并輸出三角載波和調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，得到橋電源單元內(nèi)各A1、A2、 A3和A4四個開關(guān)管的驅(qū)動信號；
[0091] 根據(jù)A1、A2、A3和A4四個開關(guān)管的驅(qū)動信號分別控制A1、A2、A3和A4四個開關(guān)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(fù)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(diào)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(guān)管的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)見表1所示。
[0093] 表 1
[0095]根據(jù)圖7可知，單個橋電源單元輸出方波函數(shù)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?fù)鋱D，對于圖4中A線對應(yīng)的橋電源單元的 四個開關(guān)管A1、A2、A3和A4，以及B線對應(yīng)的橋單元的四個開關(guān)管B1、B2、B3和B可分別進(jìn)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(jì)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(jié)合上述兩種方 式對本實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)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(diào)制方式分別對Α線對應(yīng)的橋電源單元和Β線對應(yīng)的橋電源單元進(jìn) 行控制得到輸出的過程參見圖8所示。根據(jù)圖8可以得到A線和B線對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)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(yīng)的橋電源單元和B線對應(yīng)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(jù)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(diào)制方式分別對Α線對應(yīng)的橋電源單元和Β線對應(yīng)的橋電源單元進(jìn) 行控制得到輸出的過程參見圖9所示。根據(jù)圖9可以得到A線和B線對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)表，見下 表3所示：
[0125] 表3
[0128]
>相移角度也可以為負(fù)（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(diǎn)處，即載波最高點(diǎn)和載波最低點(diǎn)進(jìn)行更新。
[0129] 圖9中UA和UB分別為A線對應(yīng)的橋電源單元和B線對應(yīng)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(yīng)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(jù)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(guān)管開通和關(guān)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(jié)構(gòu)，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(jìn)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(diào)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(fù)不對稱;線電壓、可以根據(jù)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(yīng)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(yīng)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?fù)淇芍?，本?shí)施例中采用方波調(diào)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(guān)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(dá)到對應(yīng)頻 率。
[0148] 對于三電平拓?fù)渲悬c(diǎn)電壓平衡
[0149] 1)三電平單相半橋方波電源中點(diǎn)電壓平衡
[0150] 假設(shè)，圖3中電流方向?yàn)檎?，此時中點(diǎn)電壓對應(yīng)關(guān)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(guān)狀態(tài)對中點(diǎn)電壓偏移量的影響相同，因此不 可以通過增加或減少對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的時間來調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓。只能通過在不同電流狀態(tài)時的 開關(guān)狀態(tài)切換來保證中點(diǎn)電壓的平衡。
[0154] 2)三電平單相Η橋方波電源中點(diǎn)電壓平衡
[0155] 假設(shè)，圖4中電流方向?yàn)檎挥捎诰€電壓狀態(tài)ΡΝ、ΝΡ、ΡΡ、ΝΝ四種狀態(tài)對中點(diǎn)電壓沒 有影響，可忽略；中點(diǎn)電壓對應(yīng)關(guān)系表見下表5所示：
[0156] 表5
[0157]
[0158] 以Ρ0開關(guān)狀態(tài)為例，若在電流方向?yàn)檎龝r，中點(diǎn)電壓偏高，需要將開關(guān)狀態(tài)0Ν或0Ρ 的作用時間增加，以降低中點(diǎn)電壓的偏移量。其他三個開關(guān)狀態(tài)以此類推。其中的作用時間 增加量可通過對中點(diǎn)電壓偏移量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得出。
[0159] 3)三電平三相全橋方波電源中點(diǎn)電壓平衡
[0160] 三相全橋的三電平中點(diǎn)電壓平衡調(diào)節(jié)與經(jīng)典三電平的SPWM或SVPWM的中點(diǎn)電壓調(diào) 節(jié)一致，不贅述。
[0161] 可見，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方波調(diào)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(fā)明實(shí)施例采用三電平單相Η橋方波調(diào)制，通過電壓疊加或電壓移相，可有 效抑制開關(guān)器件在開關(guān)過程中的du/dt;且對于三電平三相全橋的方波調(diào)制，通過控制占空 比對應(yīng)角度，可同樣有效抑制開關(guān)過程中的du/dt;
[0163] 本發(fā)明實(shí)施例采用I型三電平拓?fù)溥M(jìn)行方波調(diào)制示例說明，但應(yīng)當(dāng)理解并不限于I 型三電平拓?fù)?，可擴(kuò)展至T型等其他三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通用性好。
[0164] 本發(fā)明實(shí)施例采用三電平拓?fù)溥M(jìn)行方波調(diào)制示例說明，但應(yīng)當(dāng)理解并不限于三電 平拓?fù)洌蓴U(kuò)展至五電平、七電平等更多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0165] 本發(fā)明實(shí)施例中示例的開關(guān)管采用IGBT作為功率開關(guān)器件，但應(yīng)當(dāng)理解的是并不 限于IGBT，可使用M0SFET、IGCT等更大開關(guān)頻率的器件。
[0166] 綜上，本發(fā)明實(shí)施例利用三電平拓?fù)溥M(jìn)行方波電壓調(diào)制，解決傳統(tǒng)SPWM和SVM調(diào)制 帶來的輸出頻率不夠高的問題?？捎行岣咻敵鲭妷侯l率，可應(yīng)用于高中低壓場合。同時方 波調(diào)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?fù)洌陂_關(guān)過程中有更低的du/dt。
[0167]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明實(shí)施例所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn) 定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(jù)所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率和幅值分別設(shè)置 調(diào)制方波的頻率和幅值； 根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻率； 產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，得到所述橋電源單元內(nèi)各開關(guān)管 的驅(qū)動信號； 根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述橋電源單元內(nèi)的各開關(guān)管，得到所述橋電源單元的輸出電 壓。2. 如權(quán)利要求1所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，根據(jù)所述橋電源單元預(yù)設(shè) 輸出電壓的頻率設(shè)置所述調(diào)制方波的頻率包括： 將所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相等。3. 如權(quán)利要求2所述的三電平電源的控制方法，其特征在于，根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率 設(shè)置三角載波的頻率包括： 當(dāng)所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值時，將所述三角載波的頻率 設(shè)置為與所述調(diào)制方波的頻率相等。4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)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(quán)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(yù)設(shè)輸出電壓的占空比不相 等，或所述兩個橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的占空比相等、三角載波的相位相差預(yù)設(shè)角度&。6. 如權(quán)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(yù)設(shè)角度〇_時，針對各橋電源單元輸出所述三角載波和調(diào) 制方波進(jìn)行調(diào)制包括： 同時輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波； 在二角載波的每個最低點(diǎn)和最尚點(diǎn)更新所述調(diào)制方波的極性； 根據(jù)所述三角載波和所述調(diào)制方波的交點(diǎn)對應(yīng)生成所述各開關(guān)管的驅(qū)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(jù)該橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻 率和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻 率，以及用于產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制，輸出所述橋電源單元內(nèi) 各開關(guān)管的驅(qū)動信號； 所述控制器用于將所述驅(qū)動信號輸入所述橋電源單元，控制所述橋電源單元內(nèi)的各開 關(guān)管得到所述橋電源單元的輸出電壓。8. 如權(quán)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(yù)設(shè)輸出電壓的頻率大于預(yù)設(shè)高頻閾值時，將所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置為與 所述橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率相等。9. 如權(quán)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(shè)置為與所述調(diào)制方波的頻率相等。10. 如權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)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(yù)設(shè)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(shè)置 為相差預(yù)設(shè)角度心。11. 一種三電平電源系統(tǒng)，其特征在于，包括三電平電源和如權(quán)利要求7-10任一項(xiàng)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(jù)該橋電源單元預(yù)設(shè)輸出電壓的頻率 和幅值分別設(shè)置調(diào)制方波的頻率和幅值，并根據(jù)所述調(diào)制方波的頻率設(shè)置三角載波的頻 率，然后產(chǎn)生并輸出所述三角載波和所述調(diào)制方波進(jìn)行調(diào)制得到對所述橋電源單元內(nèi)各開 關(guān)管的驅(qū)動信號；以及用于根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述各開關(guān)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(fā)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