一種交錯(cuò)并聯(lián)三電平逆變器均流的控制方法

劉藝超

（科華數(shù)據(jù)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

逆變器的各并聯(lián)橋臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)頻率相同，載波相位錯(cuò)開(kāi)一定角度運(yùn)行的電路拓?fù)浞Q(chēng)為逆變器交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)?。?dāng)并聯(lián)橋臂為兩路時(shí)，采用載波交錯(cuò)180°的調(diào)制方法可實(shí)現(xiàn)最好的諧波特性。逆變器交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞膬陕凡⒙?lián)橋臂的濾波電感共用同一濾波電容組成LC濾波電路，就濾波電容而言具有開(kāi)關(guān)頻率倍頻的效果，同時(shí)輸出總電流紋波是兩路橋臂輸出電流紋波錯(cuò)相180°后的疊加值，如圖1所示，總電流紋波幅值顯著減小[1-2]。電流紋波頻率提高的同時(shí)紋波幅值減小，可以降低對(duì)磁性元件的要求，減少使用的濾波器個(gè)數(shù)，提高電源系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性從而提高電源系統(tǒng)的功率密度[3]。因此交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)湓诟吖β拭芏鹊碾娏﹄娮赢a(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)深受開(kāi)發(fā)者的青睞。

圖1 兩路并聯(lián)橋臂交錯(cuò)并聯(lián)的電流紋波

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)鋷?lái)益處的同時(shí)，也帶來(lái)了一些技術(shù)問(wèn)題。常見(jiàn)的交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)滠浖刂品椒?，比較突出的問(wèn)題是均流效果不佳，它繼而引起一系列的問(wèn)題：①橋臂中開(kāi)關(guān)管的溫升差異增大，降低了系統(tǒng)的可靠性；②系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)流增大，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；③降低了系統(tǒng)的效率等性能指標(biāo)。

本文提出一種逆變器交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞诙纺孀儤虮垭姼须娏鞑钆牟蓸雍涂刂频姆椒?，可以解決常見(jiàn)的無(wú)差拍采樣控制方法均流控制效果不佳的問(wèn)題。以?xún)陕稩型三電平逆變橋臂交錯(cuò)并聯(lián)的逆變器為樣機(jī)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明差拍采樣控制方法能得到較好的均流效果。

1 問(wèn)題分析

圖2為兩路I型三電平逆變橋臂交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)?，圖3為交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞目刂瓶驁D?？刂粕喜捎秒妷和猸h(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制架構(gòu)，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用PI 控制。為了實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)鋬陕冯姼须娏鞯木?，電流環(huán)兩路獨(dú)立分開(kāi)控制和調(diào)制，共用同一個(gè)電壓外環(huán)。電壓外環(huán)將逆變電壓參考值與實(shí)際逆變電壓采樣值進(jìn)行誤差比較后通過(guò)PI調(diào)節(jié)，得到電流內(nèi)環(huán)的電感電流參考值。電流內(nèi)環(huán)將給定的電感電流參考值與實(shí)際采樣到的橋臂電感電流值進(jìn)行誤差比較后通過(guò)PI 調(diào)節(jié)，進(jìn)而最終調(diào)制出實(shí)際的PWM 波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。

圖2 兩路I型三電平逆變橋臂交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)?/p>

從圖3控制框圖可知，兩路橋臂控制傳遞函數(shù)的差異點(diǎn)為內(nèi)環(huán)的實(shí)際電感電流采樣值，當(dāng)兩路電感電流不是在相對(duì)同一參考點(diǎn)采樣時(shí)，環(huán)路很難控制在均流狀態(tài)。

圖3 逆變器交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞目刂瓶驁D

圖4為常見(jiàn)的交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)滠浖刂茣r(shí)序圖，在第一路逆變橋臂載波過(guò)零點(diǎn)進(jìn)入DSP中斷，隨后進(jìn)行兩路電感電流AD采樣和環(huán)路控制，在下次載波過(guò)零點(diǎn)完成PWM裝載工作。

圖4 無(wú)差拍采樣控制的軟件時(shí)序圖

圖5為常見(jiàn)的交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)錈o(wú)差拍采樣控制時(shí)序?qū)?yīng)的電感電流采樣波形，兩路并聯(lián)橋臂電感電流的均流效果不佳。通過(guò)分析交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)滠浖刂茣r(shí)序，發(fā)現(xiàn)兩路電流環(huán)的控制時(shí)序存在如下不一致：①采樣時(shí)刻電感電流的位置不一致；②從控制更新時(shí)刻到PWM裝載時(shí)刻的延時(shí)時(shí)間不一致。

圖5 無(wú)差拍采樣控制時(shí)序?qū)?yīng)的采樣波形

2 解決方案

交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞诙纺孀儤虮垭姼须娏鞑捎貌钆牟蓸雍涂刂频姆椒?，使兩路電感電流在相?duì)同一參考點(diǎn)進(jìn)行采樣和控制，可以解決上述的兩個(gè)不一致。圖6為第二路延時(shí)半拍采樣的軟件控制時(shí)序圖。在第一路逆變橋臂載波過(guò)零點(diǎn)進(jìn)入DSP中斷，隨后進(jìn)行第一路電感電流AD采樣和環(huán)路控制，延時(shí)半拍后再進(jìn)行第二路電感電流AD采樣和環(huán)路控制。在第一路逆變橋臂載波的下次過(guò)零點(diǎn)完成第一路PWM波裝載，延時(shí)半拍后在第二路載波的過(guò)零點(diǎn)完成第二路PWM波裝載[4-5]。

圖6 第二路延時(shí)半拍采樣控制的軟件時(shí)序圖

程序?qū)崿F(xiàn)步驟：中斷頻率與載波頻率一致，依據(jù)“任務(wù)分配”實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞诙纺孀儤虮垭姼须娏餮訒r(shí)半拍進(jìn)行采樣和控制。

Step1：第一路采樣；

Step2：其它任務(wù)；

Step3：第一路控制；

Step4：其它任務(wù)（確保程序執(zhí)行至此，消耗了一半的中斷時(shí)間）；

Step5：第二路采樣；

Step6：第二路控制；

Step7：其它任務(wù)。

圖7為交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞诙费訒r(shí)半拍采樣控制時(shí)序?qū)?yīng)的電感電流采樣波形，對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)之后的控制時(shí)序可以較好地實(shí)現(xiàn)兩路電感電流的均流效果。

圖7 第二路延時(shí)半拍控制時(shí)序?qū)?yīng)的電感電流采樣波形

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種逆變器交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)涞诙纺孀儤虮垭姼须娏鞑捎貌钆牟蓸雍涂刂频姆椒?，可以解決兩路橋臂采樣時(shí)刻電感電流的位置不一致和從控制更新時(shí)刻到PWM波裝載時(shí)刻的延時(shí)時(shí)間不一致這兩個(gè)問(wèn)題，從而使兩路交錯(cuò)并聯(lián)橋臂達(dá)到較好的均流效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，為產(chǎn)品的可靠運(yùn)行和指標(biāo)性能優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。