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中點箝位型三電平變換器SFOPWM方法的研究
摘要：介紹了中點箝位型三電平變換器中的一種典型載波PWM方法——開關頻率優化PWM（SFOPWM），這種方法由于注入零序的三次三角波，調制比最大可以達到1.15；另外通過適當選擇載波和調制波之間的相移可以減少開關次數。仿真和實驗結果驗證了該方法的特點。關鍵詞：中點箝位型三電平變換器；開關頻率最優化脈寬調制
1概述
二極管中點箝位型三電平變換器[1]如圖1所示。由于二極管的箝位，這種變換器中每個功率開關管承受的最大電壓為直流側電壓的一半，從而降低了開關過程的dv/dt，因此可以用低成本的低壓器件實現中高容量的變換；另外，由于輸出電壓有三種電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，因此可以簡化輸出濾波器的設計和降低EMI問題；最后這種變換器在實現中高容量的變換時沒有工頻變壓器，節省了裝置的體積，提高了系統的效率。因此，這種結構的變換器在高電壓大功率的變頻調速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統和電力系統無功補償等方面有著廣泛的應用前景。
本文從控制自由度的角度介紹了SFOPWM方法，這種方法由于在正弦調制波中注入零序三次分量，從而使電壓利用率提高到1.15；另外，合理選擇載波同調制波之間的相移可以減少開關次數。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性，實驗結果驗證了SFOPWM方法的特點。
圖1
2SFOPWM技術
三電平逆變器載波技術，來源于兩電平的SPWM技術，但是，由于三電平逆變器特殊的結構，三電平的載波技術又不同于兩電平的載波技術。三電平逆變器中的開關管多，因此三電平逆變器的載波和調制波都可能不止一個，而且每一個載波和調制波都有多個控制自由度；這些載波和調制波的控制自由度至少有頻率、幅值和調制波和載波之間的偏移量等。這些自由度的不同組合，將會產生多種載波PWM技術。其中最具代表性的有3種:分諧波PWM、開關頻率優化PWM、三角載波移相PWM。而中點箝位型中最經常用到的就是分諧波PWM、開關頻率優化PWM。開關頻率最優化PWM方法因為其電壓利用率高，開關頻率優化等原因而得到了實際的應用。
三電平分諧波PWM方法是兩電平正弦波調制在多電平領域的一個擴展。載波是n個具有同相位、同頻率fc、相同的峰峰值Ac，且對稱分布的三角波，參考信號是一個峰峰值為Am，頻率為fm正弦信號。在三角載波和正弦波相交的時刻，如果正弦波的值大于載波的值，則開通相應的開關器件，否則相反。開關頻率最優化的方法是由Steinke[2]提出的。這種方法是在分諧波基礎之上增加了一個注入諧波的自由度而來的。它注入的是零序分量vzero和調制波的表達式如式（1）—式（4）所示：
式中：va=masin(2πfm＋Φ)；
ma為幅度調制比。
這種方法的原理如圖2所示。這種控制方法的最大調制比可以達到1.15，由于每相的調制波都注入諧波，因此它只能用于三相系統中。
3載波和調制波相移角Φ對開關次數的影響
TolbertLeonM研究了載波和調制波相移角同頻率調制比mf之間的關系，得出了關于相移角對開關次數影響的三條規律[3]：
1）如果頻率調制比mf為16的倍數的時候，載波和調制波之間的相移對一個周期內總的開關次數沒有影響，即開關次數不受Φ的影響；
2）如果載波頻率mf是偶數的時候，一個調制周期內，最大的開關次數是2mf。開關次數Nsw=2mf－2j(其中j=0,1,2,3，j的具體值取決于mf）；
3）如果載波頻率mf是奇數的時候，一個調制周期內，開關的最大次數是可以大于2mf，開關次數Nsw=2mf－2j(其中j=0,±1,±2,
j的具體值取決于mf)。
通過適當選擇頻率調制比、幅度調制比和相移角，則開關次數可以減少35％。
4仿真研究
為了研究SFOPWM方法注入的零序分量特點和SFOPWM方法的特性，建立了主電路結構同圖1的仿真模型。圖3是幅度調制比ma=0.9和1.1時候的調制波和注入的零序分量。從圖3可以看出，SFOPWM方法的調制波是3次三角波，其幅值與調制比ma有關系。圖4是開關頻率fc=10kHz時輸出的相電壓、線電壓波形。
5實驗結果
為了驗證仿真結果和SFOPWM的特點，建立了實驗模型，其中開關管采用IRF840，二極管采用MUR860，開關頻率為10kHz。圖5是幅度調制輸出的相電壓、線電壓波形，圖6是經過簡單LC濾波后的波形（其中濾波電感L=1mH，濾波電容C=1μF）。
6結語
開關頻率最優化（SFOPWM）方法由于注入零序的三次三角波，調制比最大可以達到1.15；另外通過適當選擇載波和調制波之間的相移可以減少開關次數，從而減少開關損耗。實驗和仿真結果都驗證了SFOPWM方法的特點。中點箝位型三電平特殊結構，為PWM控制方法提供了更多的自由度，SFOPWM方法只是其中之一，研究這些自由度可以獲得工作特性更好的PWM方法。
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