基于DSP控制的三电平变频器的研究

０　引言

　　三电平逆变器相对于传统的两电平而言，它可以使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电平，可以使ｄｕ／ｄｔ　降低一半，从而使输出电压谐波减小，有利于实现输出电压波形的正弦化，特别适合于高压大容量的电力电子变换系统。它普遍采用空间电压矢量脉宽调制的控制策略，将ＤＳＰ数字控制技术应用于三电平逆变器，不仅简化了系统的硬件结构，提高了系统性能，还可以实现系统的优化控制。

　　１　系统结构

　　１．１　系统的主电路结构

　　图１为变频器主电路结构图，它大体上由４　部分组成：二极管组成的ＡＣ／ＤＣ整流器；ＩＧＢＴ　构成的ＤＣ／ＡＣ逆变器；电压和电流信号采样检测电路和由ＤＳＰ　组成的控制电路。主电路采用了传统的交-直-交变频结构，整流部分采用１２　脉波二极管整流电路，逆变部分采用二极管箝位逆变电路，它是由日本学者Ａｊｕｒａ　Ｎａｂａｅ　教授于１９８１　年提出来的，并且得到了广泛应用。这种电路通过多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相应的正弦波。

　　三电平变频器的整流电路标准配置为１２脉波整流电路（即输入变压器为三绕组，二次采用Ｄ和Ｙ接法，两组二次绕组对应线电压之间的相位差为π／６，从而使整流后的电压波形具有１２个脉波，同时大大减少了整流器产生的谐波电流），而输入侧采用谐波滤波器可以进一步减少整流器产生的谐波电流。

　　由于箝位二极管把开关器件两端的电压限制在直流母线电压的一半，所以相对于两电平逆变器，三电平电路中的开关器件所承受的电压应力大大减轻，而输出功率增加了一倍。

　　１．２　驱动电路的设计

　　ＩＧＢＴ　驱动电路选择的合理性和设计的正确性对功能的实现极其重要。ＩＧＢＴ　的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力等参数均与门极驱动条件密切相关。

　　ＩＧＢＴ　的驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分，多采用专用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的Ｍ５７９系列（如Ｍ５７９６２Ｌ　和Ｍ５７９５９Ｌ）和富士公司的ＥＸＢ系列（如ＥＸＢ８４０、ＥＸＢ８４１、ＥＸＢ８５０和ＥＸＢ８５１），其内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应，慢速关断ＩＧＢＴ，并向外部电路给出故障信号。本次设计选用三菱公司的Ｍ５７９６２Ｌ，正驱动电压均为＋１５Ｖ左右，负驱动电压为－１０Ｖ，如图２所示。本次设计共有１２路这样的驱动。

　　２　变频器设计基本原理

　　２．１　三电平空间电压矢量ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）

　　ＳＶＰＷＭ控制技术最初源于电动机磁链跟踪技术。这种方法是从电动机的角度出发，其目标是使交流电动机产生圆形磁场。在交流电机调速系统中，为了产生恒定的电磁转矩，必须保证定子电流产生圆形旋转的磁场，这种以产生圆形旋转磁场为目标，合理控制开关导通和关断的ＰＷＭ控制就是磁链跟踪技术。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到，因此

　　这种控制方法也称为电压空间矢量控制。

　　当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场（磁链圆）。因此如果有

　　一种方法使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。

　　三电平电压型逆变电路如图３　所示。三电平逆变器的每一个桥臂上有４　个开关管、４个反向恢复二极管和２个箝位二极管。

　　通过控制开关管Ｖｉ１、Ｖｉ２、Ｖｉ３、Ｖｉ４（其中ｉ＝ａ、ｂ、ｃ） 的开通和关断可以在该ｉ桥臂输出三种不同的电平，即Ｕｄｃ／２、０、－　Ｕｄｃ／２。当一个桥臂上Ｖｉ１、Ｖｉ２　两管导通，Ｖｉ３、Ｖｉ４两管关断时，开关状态Ｓｉ为１，桥臂输出电压为Ｕｄｃ／２；Ｖｉ２、Ｖｉ３两管导通，Ｖｉ１、Ｖｉ４两管关断时，开关状态Ｓｉ为０，桥臂输出电压为０；Ｖｉ３、Ｖｉ４两管导通，Ｖｉ１、Ｖｉ２两管关断时，开关状态Ｓｉ为－１，桥臂输出电压为－　Ｕｄｃ／２，每相的开关状态有３种即１、０、－１。因此三相三电平逆变器有２７　种开关状态，其中有效的有１９种，称为基本电压空间矢量。按照空间矢量幅值大小可分把基本电压空间矢量为四类：零电压空间矢量（零矢量）ｖ０；小电压空间矢量（小矢量）ｖ１、ｖ４　、ｖ７、ｖ１０、ｖ１３、ｖ１６；中电压空间矢量（中矢量）ｖ３、ｖ６、ｖ９、ｖ１２、ｖ１５、ｖ１８；大电压空间矢量（大矢量）ｖ２、ｖ５、ｖ８、ｖ１１、ｖ１４、ｖ１７。其中零电压空间矢量对应三个开关状态（１　１　１）、（０　０　０）、（－１　－１　－１），每个小电压空间矢量都有两种开关状态，电压空间矢量图如图４所示。