T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制

陳 玲, 紀(jì) 萍

(河海大學(xué)文天學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙極型復(fù)合自關(guān)斷器件取得迅猛的發(fā)展，促進(jìn)高壓大容量變流器技術(shù)的進(jìn)步，尤其是多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器技術(shù)逐漸成為大功率變流器的研究熱點[1-4]。多電平逆變器優(yōu)點顯著，如輸出電壓諧波小、所需器件耐壓低和開關(guān)損耗低等，使其在眾多中高壓大功率場合得到了廣泛應(yīng)用[5]。其中，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等更是得到迅猛發(fā)展[6]。文中在T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對T型三電平逆變系統(tǒng)的原理及控制策略進(jìn)行了分析，建立了一定的理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了硬件電路，并對系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計，完成了實驗。通過實驗驗證了控制方法的有效性。

1 T型三電平逆變系統(tǒng)控制原理

T型三電平逆變系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

每相橋臂有4個功率開關(guān)器件，上下橋臂各包含一個功率開關(guān)管，而另兩個功率開關(guān)管反向串聯(lián)后與直流側(cè)電容在中點處相連，其結(jié)構(gòu)形狀像字符“T”，因此,稱這種結(jié)構(gòu)為T型拓?fù)?。?dāng)系統(tǒng)輸出低電平或者高電平時，由于電流流經(jīng)器件個數(shù)較少，導(dǎo)致對應(yīng)的導(dǎo)通損耗也會下降[7]。

圖1 T型三電平主電路拓?fù)?/p>

圖1中，設(shè)直流電壓為Ud，由于直流側(cè)電容C1=C2，則Udc1=Udc2=Ud/2。若以直流側(cè)電容中點0為參考，則每相橋臂可輸出電平：Ud/2、0、-Ud/2。若這三種電平對應(yīng)狀態(tài)P、O和N三種電平狀態(tài)。則單相橋臂輸出不同電平時對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)見表1。

表1 不同電平對應(yīng)的單相開關(guān)狀態(tài)

由此，三相T型三電平逆變系統(tǒng)共有27個開關(guān)狀態(tài)，可組成19個有效的空間矢量。其中，零矢量1個，對應(yīng)了3個開關(guān)狀態(tài)；小矢量6個，對應(yīng)了2個開關(guān)狀態(tài)；中矢量和大矢量各6個，分別對應(yīng)1個開關(guān)狀態(tài)。三電平空間矢量圖[8]如圖2所示。

將這27個開關(guān)狀態(tài)利用三電平空間矢量調(diào)制算法SVPWM是在逆變系統(tǒng)的一個工作周期中用6個大基本矢量將矢量空間分成6個區(qū)域，再將期望的旋轉(zhuǎn)參考矢量在α-β坐標(biāo)系上進(jìn)行分解，同時,利用正六邊形空間矢量圖來判斷參考矢量所在的扇區(qū)來完成合成矢量作用時間的計算。根據(jù)基本電壓矢量的調(diào)制方式和作用時間，可以獲得三相橋臂各開關(guān)的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)三電平逆變系統(tǒng)的SVPWM控制。即各輸出電平對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，給予對應(yīng)的開關(guān)管觸發(fā)脈沖即可實現(xiàn)逆變系統(tǒng)的PWM控制[9]。三電平逆變系統(tǒng)PWM波形示意圖如圖3所示。

圖2 三電平逆變系統(tǒng)基本電壓空間矢量圖

圖3 三電平逆變系統(tǒng)PWM波形示意圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

T型三電平逆變系統(tǒng)的控制主要由dsPIC與FPGA結(jié)合實現(xiàn),T型三電平逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 T型三電平逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先采集電路中所需的電壓及電流信號，然后通過控制算法進(jìn)行計算，得到開關(guān)管的控制脈沖信號。再將脈沖信號送入驅(qū)動電路，最終利用其實現(xiàn)開關(guān)管的通斷控制。由此，系統(tǒng)實現(xiàn)電能直流交流變換。

2.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計

三電平逆變系統(tǒng)主電路采用共集電極式T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1)，左側(cè)接直流電源，右側(cè)接星型阻感負(fù)載。由于文中只是研究了T型三電平拓?fù)涞目刂撇呗?，因此實驗中的功率較小，直流側(cè)電壓為30 V。

系統(tǒng)直流側(cè)存在中點電位平衡問題，故用容值較大的電容來適當(dāng)抑制中點電位波動，因此選用3 300 μF/100 V的電解電容作為直流側(cè)分壓電容。逆變橋功率開關(guān)管選用MOSFET。

2.3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計

電壓驅(qū)動型功率器件選為電力MOSFET，其開通電壓為10～15 V，考慮關(guān)斷速度，選擇關(guān)斷電壓為-5～-15 V的負(fù)電壓，因此，實驗選擇TOSHIBA公司的光耦隔離型驅(qū)動芯片TLP250，對應(yīng)驅(qū)動電路如圖5所示[10]。

圖5 TLP250驅(qū)動原理圖

考慮系統(tǒng)各開關(guān)管驅(qū)動電路之間易形成干擾，需對芯片的電源部分進(jìn)行相應(yīng)隔離。由于本系統(tǒng)T型三電平逆變器采用共集電極接法，至少需要5路獨立的驅(qū)動電源。因此，實驗中采用SAPS公司的AC/DC電源模塊制作了一個電源板，實現(xiàn)了由交流220 V轉(zhuǎn)換得到的24 V直流電源，然后通過5個MORNSUN公司的DC/DC隔離電源模塊獲得5路相互隔離的直流電源為TLP250芯片供電，在方便供電的同時確保了驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)實驗中，還需進(jìn)行采樣電路設(shè)計和保護(hù)電路設(shè)計。采樣信號主要有直流側(cè)電壓、電流過零點檢測及三相輸出電壓電流等。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

考慮T型三電平逆變系統(tǒng)主電路中含12個功率開關(guān)，因此，正常工作時共需要12路PWM控制信號。T型三電平逆變系統(tǒng)采用FPGA和dsPIC芯片相結(jié)合來實現(xiàn)控制。6路PWM邏輯控制信號由dsPIC通過控制程序生成，經(jīng)FPGA譯碼并進(jìn)行死區(qū)處理，最終產(chǎn)生12路控制信號，實現(xiàn)逆變橋的控制。

3.1 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計

系統(tǒng)控制模塊中的T型三電平SVPWM算法的實現(xiàn)主要由dsPIC芯片承擔(dān)。通過軟件設(shè)計使PWM引腳輸出相應(yīng)的電平狀態(tài)，以控制T型三電平逆變系統(tǒng)每個橋臂。系統(tǒng)控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)

圖中dsPIC的PWM模塊每組兩個輸出引腳PWMxH和PWMxL輸出的電平有“00”“01”“10”，分別表示T型三電平逆變系統(tǒng)的零電平、低電平和高電平狀態(tài)，而“11”則不應(yīng)該出現(xiàn)，以下在軟件設(shè)計中將加以界定。dsPIC的6組PWM模塊產(chǎn)生的邏輯信號，經(jīng)FPGA進(jìn)行譯碼，得到相應(yīng)的電平對逆變系統(tǒng)的6個開關(guān)器件進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上加上死去時間，最后實現(xiàn)12路開關(guān)器件的有效控制。

3.2 系統(tǒng)dsPIC程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包含dsPIC和FPGA程序設(shè)計，其中dsPIC程序采用C語言進(jìn)行編程[11]，而FPGA則采用VHDL語言進(jìn)行編寫[12]。dsPIC程序軟件主要包括算法主程序及中斷服務(wù)子程序。

在系統(tǒng)進(jìn)行時鐘源配置、特殊功能配置、所需系統(tǒng)外設(shè)、I/O端口等初始化后，再對系統(tǒng)變量進(jìn)行定義和賦值，最后執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。具體程序流程如圖7所示。

系統(tǒng)根據(jù)三電平控制規(guī)律判斷各自對應(yīng)扇區(qū)信息，從而確定具體作用矢量，在此基礎(chǔ)上，計算各矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)以及時間，這也是主程序的核心，即三電平的算法模塊。

圖7 dsPIC算法程序流程

3.3 系統(tǒng)FPGA程序設(shè)計

系統(tǒng)FPGA程序設(shè)計如圖8所示。

圖8 FPGA程序流程

系統(tǒng)首先接收dsPIC發(fā)送相應(yīng)時間的開關(guān)狀態(tài)信號，通過FPGA進(jìn)行譯碼，加上死區(qū)時間，由6路的邏輯信號變成12路的開關(guān)器件控制信號。

4 實驗結(jié)果分析

通過T型三電平逆變系統(tǒng)原理的分析，并進(jìn)行了一定的仿真，建立了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上搭建了T型三電平逆變系統(tǒng)的實驗裝置，進(jìn)行了相應(yīng)的小功率實驗。實驗中的直流電源采用了直流穩(wěn)壓電源，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。

逆變系統(tǒng)A相輸出相電壓波形如圖9所示(此時系統(tǒng)為空載)。

圖9 空載時A相相電壓輸出波形

可見,相電壓輸出波形有+Udc/2、0和-Udc/2三個電平值，呈現(xiàn)了逆變系統(tǒng)的三電平特性。

T型三電平逆變系統(tǒng)輸出的線電壓波形如圖10所示(此時系統(tǒng)仍為空載)。

可見，系統(tǒng)線電壓輸出有5個電平，并且將其濾波后，得到波形為50 Hz的正弦波。

(a) 濾波前輸出波形

(b) 濾波后輸出波形

5 結(jié) 語

在T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對T型三電平逆變系統(tǒng)的原理及控制策略進(jìn)行了分析，采用空間矢量調(diào)制算法，對開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，合理分配PWM時序，有效降低了功率器件開關(guān)損耗。在此基礎(chǔ)上搭建了T型三電平逆變系統(tǒng)實驗平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計，并對控制方法進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)及控制方法的可行性和有效性。