基于TMS320F2812的三电平逆变器载波调制方法研究

摘要：主要对二极管箝位型三电平逆变器的拓扑与控制进行了研究，并以此作为进一步研究的基础，对三电平NPC逆变器的载波同相层叠和反相层叠PWM控制方法进行了分析，同时对两种载波层叠方式下输出电压的谐波特性进行了比较，分析了其工作机理和调制算法，在此基础上对基于三角载波层叠式调制算法的实现进行了改进，然后利用Matlab／Simulink仿真软件实现了调制算法的仿真验证，给出了基于先进TMS3-20F2812DSP设计改进的三角载波层叠式调制方法的控制程序。结果表明，该调制算法非常适用于新型DSP数字化控制软件的实现，控制性能稳定，能获得带死区功能的控制脉冲。
关键词：三电平逆变器；二极管箝位；载波层叠式PWM

O 引言
二极管中点箝位三电平(NPC)逆变器是一种开发最早、较为成熟的多电平逆变器拓扑，目前已广泛应用于高压变频调速、柔性输配电系统及高压直流输电系统等场合。NPC逆变器的控制方式有多种，如双极性正弦脉宽调制、三角载波层叠式SPWM、电压空间矢量脉宽调制(SVPW-M)、特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)等。通过这些控制方式，NPC逆变器可得到单相三电平或线电压五电平的输出电压，可以较好地解决开关管开关频率和开关容量间的矛盾。
正弦波脉宽调制技术目前已经得到非常普遍的应用。众所周知，多电平逆变器的性能很大程度取决于所采用的控制策略。基于载波的PWM技术来源于两电平SPWM技术，其最显著的优点在于实现简单。它既可以模拟实现，又可以数字实现，特别是当电平数越高时，与空间矢量调制(SWPWM)相比，其优点更加明显。
本文分析了基于三角载波层叠式SPWM技术的工作原理。并通过Matlab／Simulink仿真软件对调制算法进行了仿真验证。在此基础上提出了一种便于实现且适用于三电平逆变器的简化型三角载波调制策略。文中详细介绍了控制算法的原理，导出了占空比计算公式，并利用TMS-320F2812DSP完成了控制软件的编写。最后通过脉冲波形图验证了上述三电平逆变器调制策略的正确性，为以后的系统级实验奠定了基础。

1 三电平拓扑结构与调制原理
三电平逆变器有多种拓扑形式，其中“二极管箝位(Diode-Clamped)逆变电路”是多电平逆变电路拓扑中发展最早的一种，又称为中点箝位逆变电路(Neutral Point Clamped)。它由日本学者A．Nabae最早提出，这种电路在两个开关器件串联的基础上加入了一对中性点箝位二极管构成。可通过对每项4个开关主管的控制得到三电平的控制电压输出。

图l所示是一种二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构。可以看出，三电平逆变器每一相需要4个主开关管Tl～T4、4个反并联的续流二极管Dl～D4、2个箝位二极管Dl和D2、2个支撑电容C1和C2。其中，电容C1和C2为变换电路提供了2个相同的直流电压，Ed／2为一组电容两端电压，0为中性点，所有二极管都要求与功率开关有相同的耐压等级，平均每个主管承受的正向阻断电压为Ed／2；输出相电压定义为输出端(U、V、W)与中性点0之间的电压。
正弦波脉宽调制技术目前实际上已经得到非常普遍的应用。根据两个三角载波的相位关系，三角载波又可以分为载波反相层叠PWM控制法(即两个三角载波的相位相反)和载波同相层叠PWM控制法(即两个三角载波的相位相同)。现以图1所示的三相二极管三电平逆变器的a相桥臂为例，其载波反相层叠PWM控制方法的工作波形如图2所示。

载波反相层叠调制算法一般采用同相位分布在纵坐标正、负半周上的两列三角载波与正弦调制波进行调制比较的方式。其中正半周的三角载波与正弦调制波进行调制生成互补的两列控制脉冲分别用于控制Tl和T3；负半周载波与正弦波进行调制生成互补的两列控制脉冲用于控制T2和T4，其电压调制方式见图2。用正弦波与三角波进行比较，可在正弦波瞬时值大于三角的部分产生输出电压的PWM脉冲列，小于部分产生输出电压的零脉冲。由于两列三角波是反相的，也就是说，它们对称于坐标横轴，因此，通过正弦波与三角波进行比较产生的输出电压的PWM波形是正半周与副半周相同的。
当三相二极管箝位逆变器采用载波反相层叠PWM控制法时，三个相的三角载波相同，只需将调制波换成三相对称的正弦波电压Ua，Ub，Uc即可，图3所示是两种载波调制波形。

由图2可知，载波反相层叠输出的矩形脉冲具有对称性。通过双重傅里叶变换导出载波反向层叠PWM控制法的三电平NPC逆变器输出电压Ua的表达式为：

这也是载波反向层叠PWM控制方法相对于同相层调制的一个优点所在。
根据式(1)可知，采用载波反向层叠PWM控制方法的三电平NPC逆变器输出电压的谐波有如下特点：
①恒定分量(直流分量)为零；
②基波为MEsinωt／4且不含基带谐波；
③不含载波和载波谐波；
④只存在n为奇数的载波上下边频谐波。
载波同相层调制算法与上述完全一致，不同的只是上下三角载波为同相位，如图3(b)所示。由于其输出电压推导式比较复杂。下面将给出仿真结果并进行定性分析。