用于多電平變換器的脈寬調(diào)制控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的方面涉及一種多電平功率變換器，具體涉及多電平變換器的脈寬調(diào)制控 制。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)意義上，多電平變換器被用于中壓AC驅(qū)動器、柔性AC傳輸系統(tǒng)（FACTS)、和高 壓DC (HVDC)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用中，這是因為單功率半導(dǎo)體裝置不能處理高壓。多電平變換器 通常包括用于每一相的多個功率單元（power cell)，每個功率單元包括具有半導(dǎo)體開關(guān)的 逆變電路，所述半導(dǎo)體開關(guān)能夠改變各個單元的電壓狀態(tài)或者電平。根據(jù)所使用的逆變電 路的類型（例如，半橋或者全橋），每個功率單元可以具有一個或多個開關(guān)支路（leg)。通 過控制每個功率單元的各個開關(guān)支路的開關(guān)事件，可以控制每個單元上的電壓，從而獲得 具有多個離散的電壓電平的AC輸出波形。多電平變換器經(jīng)常由輸出電壓波形中離散電平 的數(shù)目來描述。
[0003] 在某些應(yīng)用中，可能期望使用脈寬調(diào)制（PffM)控制多電平變換器中的開關(guān)事件。 基于PffM的控制提供了幾個益處，特別是減少在每個電平上的諧波譜。在PffM方法的核心， 多電平變換器通常使用相移三角載波。用于多電平變換器、特別是那些具有級聯(lián)型H橋拓 撲的多電平變換器的傳統(tǒng)方法是相移脈寬調(diào)制（PS-PffM)載波方法。在PS-PffM方法中，將 典型地是正弦波形的用于特定單元的參考信號與三角載波相比較，以便獲得該單元第一開 關(guān)支路的開關(guān)實例（instance)。每個單元具有其自己的三角載波。在PS-PffM方法中，這些 載波被相移。將相同的參考正弦波形與倒三角載波相比較，以便獲得相同單元的第二開關(guān) 支路的開關(guān)實例。
[0004] 但是，諸如上述的這些方法的傳統(tǒng)方法不提供線-線（line-line)輸出電壓的最 優(yōu)譜。輸出電壓的質(zhì)量尤其在高輸出電壓頻率上或者當(dāng)變換器具有較少數(shù)目的電平時會惡 化。典型地，如果輸出電壓頻率高并且變換器的電平數(shù)目減少時，顯而易見的選擇是增加開 關(guān)頻率。但是，增加開關(guān)頻率也會增加整體損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 簡要地說，本發(fā)明的方面涉及一種多電平功率變換器。本發(fā)明的方面也涉及多電 平變換器的脈寬調(diào)制控制。
[0006] 本發(fā)明的第一方面提供一種用于控制多電平變換器的開關(guān)裝置的方法。該方法 包括動態(tài)選擇載波信號、以及基于所動態(tài)選擇的載波信號與參考信號的比較產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號，以引起開關(guān)裝置的開關(guān)事件。從多個載波信號中動態(tài)選擇所述載波信號。多個 載波信號中的每個載波信號都能夠?qū)?yīng)于完全占據(jù)了參考信號的波形范圍的多個連續(xù)頻 帶之一。對應(yīng)于不同頻帶的載波信號具有不同的波形形狀。所動態(tài)選擇的載波信號能夠?qū)?應(yīng)于被參考信號瞬時占據(jù)的頻帶。只要存在參考信號從第一頻帶到第二頻帶的轉(zhuǎn)變，就執(zhí) 行所述動態(tài)選擇，為第一頻帶和第二頻帶選擇的載波信號依賴于參考信號在轉(zhuǎn)變時的波形 的斜率。
[0007] 本發(fā)明的第二方面提供了一種用于產(chǎn)生多相AC電源的多電平變換器。多電平變 換器包括多個功率單元，用于向每一相供電，每個功率單元包括至少一個并入了半導(dǎo)體開 關(guān)的開關(guān)支路。多電平變換器還包括連接到每個功率單元的PWM控制器，用于通過控制每 個開關(guān)支路的開關(guān)事件來控制各個功率單元的電壓輸出。PWM控制器為單獨的開關(guān)支路動 態(tài)選擇載波，并且基于所動態(tài)選擇的載波信號與參考信號的比較產(chǎn)生開關(guān)信號以引起用于 該單獨的開關(guān)支路的開關(guān)事件。PWM控制器為該單獨的開關(guān)支路從多個載波中執(zhí)行所述載 波的動態(tài)選擇。多個載波中的每個載波均能夠?qū)?yīng)于完全占據(jù)了參考信號的波形范圍的多 個連續(xù)頻帶之一。對應(yīng)于不同頻帶的載波具有不同的波形形狀。所動態(tài)選擇的載波能夠?qū)?應(yīng)于被參考信號瞬時占據(jù)的頻帶。只要存在參考信號從第一頻帶到第二頻帶的轉(zhuǎn)變，就執(zhí) 行所述動態(tài)選擇，為第一頻帶和第二頻帶選擇的載波信號依賴于參考信號在轉(zhuǎn)變時的波形 的斜率。
【附圖說明】
[0008] 圖1是圖示根據(jù)第一示例實施例的具有三個單元/相的拓?fù)涞募壜?lián)型三相H橋多 電平變換器的示意圖，
[0009] 圖2A圖示對于一個開關(guān)支路的相對于參考信號波形的載波布置的圖形表示，其 中所有上升沿（ramp)是同步的，
[0010] 圖2B圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的梯形載波波形的廣義形狀的圖形表示，
[0011] 圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、用于圖2A的載波布置的調(diào)制指數(shù)m = 0. 9的脈沖和參考信號波形的圖形表示，
[0012] 圖4示出由于圖3中所示脈沖的頻帶跨越（crossover)而導(dǎo)致的脈沖和參考的畸 變的圖形表示，
[0013] 圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的對于一個開關(guān)支路的相對于參考信號波 形的載波布置的圖形表示，其中所有下降斜坡是同步的，
[0014] 圖6圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、為具有三個單元/相的拓?fù)涞募壜?lián)型H 橋多電平變換器的每個開關(guān)支路的所有開關(guān)動態(tài)分配載波的有限狀態(tài)機的示例的示意圖，
[0015] 圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、基于提出的用于具有三個單元/相的拓 撲的級聯(lián)型H橋多電平變換器的載波分配方法的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的示意圖，
[0016] 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、對于連續(xù)參考使用提出的載波分配方 法而獲得的脈沖的圖形表示，
[0017] 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、對于采樣的參考使用提出的載波分配 方法而獲得的脈沖的圖形表示，
[0018] 圖10圖示在對于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 600Hz的級聯(lián)型H橋多電平變換 器中通過PS-PffM而獲得的仿真的線-線電壓譜的圖形表示，
[0019] 圖11圖示在對于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 600Hz的級聯(lián)型H橋多電平變換 器中通過所述調(diào)制方法而獲得的仿真的線-線電壓譜的圖形表示，
[0020] 圖12圖示在對于m = Ufciut= 60Hz、f swltehing= 420Hz的級聯(lián)型H橋多電平變換 器中通過PS-PffM而獲得的仿真的輸出電流的圖形表示，
[0021] 圖13圖示在對于m = Ufciut= 60Hz、fswltehing= 420Hz的級聯(lián)型H橋多電平變換 器中通過所述調(diào)制方法而獲得的仿真的輸出電流的圖形表示，
[0022] 圖14是圖示根據(jù)第二示例實施例的具有六個子模塊/臂的拓?fù)涞哪K化多電平 變換器支路的示意圖，
[0023] 圖15圖示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的、利用所述調(diào)制方法的具有六個子模塊/ 臂的拓?fù)涞哪K化多電平變換器的仿真的線-線電壓。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明的實施例涉及一種新的脈寬調(diào)制（PffM)方法，其原則上能夠用于多種不同 類型的多電平變換器。一般來說，多電平變換器可以具有一個或多個相，包括用于每一相的 多個功率單元。每個功率單元包括具有配備有開關(guān)裝置的一個或多個開關(guān)支路的逆變電 路，所述開關(guān)裝置能夠改變各個單元的電壓狀態(tài)或者電平。通過控制每個功率單元的各個 開關(guān)支路的開關(guān)事件，可以控制每個單元上的電壓以及由此獲得具有多個離散的電壓電平 的AC輸出波形。
[0025] 雖然已經(jīng)對于能夠被用于工業(yè)應(yīng)用的特定的示例性多電平變換器而闡述了本發(fā) 明的實施例，但是應(yīng)理解，所提出的PWM控制器及其根本操作方法不限于這里所描述的類 型的多電平變換器，而是能夠推廣為具有任意數(shù)量的單元的多電平變換器、或者推廣到許 多其他多電平拓?fù)洹?br>[0026] 示例1 :級聯(lián)銦H橋多電平奪換器
[0027] 在第一實施例中，提出的調(diào)制方法被描述用于級聯(lián)型H橋多電平變換器。這樣的 變換器的示例是由西門子工業(yè)公司制造的Perfect Harmony GH180?.驅(qū)動器。
[0028] 圖1圖示包括具有七電平拓?fù)涞募壜?lián)型H橋多電平變換器10的系統(tǒng)1的實施例 的示意圖，七電平拓?fù)浒ㄈ啵渲忻恳幌嗑哂腥齻€功率單元，根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 系統(tǒng)1另外包含PWM控制器30。多電平變換器的本實施例的拓?fù)湓诿绹鴮＠鸑o. 5625545 中有所描述，為了說明的目的，其內(nèi)容通過引用的方式合并于此。
[0029] 在圖1的示例中，系統(tǒng)1是中壓驅(qū)動器，其包括通過線LU L2和L3提供電力輸入 2的三相電源。多電平變換器10連接到AC電力輸入2并且通過相輸出線u、v和w產(chǎn)生三 相AC電源作為輸出3。通過線u、V和w的AC輸出3可以連接到負(fù)載20,其在該示例中包 括電動機。可以通過控制由多電平變換器10產(chǎn)生的輸出電壓的頻率和/或幅值來操作電 動機20。
[0030] 多電平變換器10的每一相包括各自的相支路11，其由以級聯(lián)的方式布置的多個 功率單元12形成。在圖1的示例中，三個相支路11各自由相同數(shù)量的串聯(lián)連接的功率單 元12 ( 即，三個）形成。一相的每個功率單元12通過各自的輸入線LU L