1 引言
自從日本長岡科技大學的南波江章于1980年在ias年會上提出了三電平二極管箝位式結構以來[1]，二極管箝位式逆變器在高壓大功率方面成為研究的熱點，主要是因為它具有小的輸出波形thd、低的器件電壓應力和低的系統emi等優點[2]。二極管箝位型五電平逆變器的電路拓撲結構如圖1所示，其輸出電壓及其對應的開關狀態如表1所示。
表1 二極管箝位型五電平逆變器輸出電壓與開關狀態之間的關系
“1”表示開關器件導通狀態，“0”表示開關器件關斷狀態
圖１ 二極管箝位型五電平三相逆變器主電路
多電平變換器的pwm控制方法是多電平變換器研究中的一個相當關鍵的技術。一般說來，波形質量，開關損耗，直流電壓利用率是衡量pwm方法的幾個重要指標。對二極管箝位型逆變器pwm控制方法的研究主要集中在載波pwm方法（spwm）和空間電壓矢量法（svpwm）。svpwm把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，易于數字化處理，并具有轉矩脈動小，噪聲低，電壓利用率高等優點[3],但當該方法應用于五電平以上的電路時，由于逆變器的空間矢量驟然增多，控制算法會變得非常復雜，因此對于五電平以上二極管箝位型逆變器，采用載波pwm控制方法是一種比較可行的方案。
2 二極管箝位型多電平載波pwm法
2.1 消諧波pwm（shepwm）法原理
對于一個n電平的二極管箝位型逆變器，每相采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰—峰值ac的三角載波與一個頻率為fm，幅值為am的正弦波相比較，為了使n-1個三角載波所占的區域是連續的，它們在空間上是緊密相連且整個載波集對稱分布于零參考的正負兩側，如圖2所示。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應的開關器件，反之，如果調制波的幅值小于某個三角波的幅值則關斷該器件。對于一個n電平的逆變器，幅度調制比ma和頻率調制比mf分別定義為
，
。
圖2 消諧波pwm原理示意圖
shepwm法的優點是輸出諧波含量低，易于實現，并且可以用于任何電平數的多電平逆變器，可以在整個調制比變化范圍內工作，缺點是ma較低，基波電壓幅值小。
2.2 開關頻率優化pwm方法（sfopwm）
開關頻率優化pwm法是另一種三角載波pwm方法，這種方法與shpwm法類似，它們的載波要求相同，但sfopwm的正弦調制波中注入了零序分量，這樣可以解決shepwm法ma較低，基波電壓幅值小的缺點，該方法的原理如圖3所示[4]。對于一個三相系統，這個零序分量是三相正弦波瞬態最大值和最小值的平均值，所以sfopwm法的調制波是通常的三相正弦波減去零序分量后所得到的波形。該方法只可用于三相系統，因為注入的零序分量在單相系統中無法相互抵消，從而在單相系統的輸出波形中存在三次諧波，而在三相系統中就不存在這種情況。零序分量和調制波的計算公式如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
圖3 開關頻率優化pwm方法示意圖
2.3 二極管箝位型多電平逆變器載波交疊pwm方法
采用sfopwm方法后,雖然解決了解決shepwm法ma較低,基波電壓幅值小的缺點,但是無論是shepwm法還是sfopwm法都還無法解決二極管箝位型逆變器在低調制度下發生電平退化的問題。以五電平二極管箝位型逆變器為例，當ma＞0.5時逆變器能輸出最大電平數，為高調制度情況；當ma≤0.5時，逆變器不能輸出所有的電平，為低調制度情況，其相電壓明顯退化為三電平，此時單相橋臂只有四個開關管有開關動作，另外四個會保持開通或者關斷。這種情況下，開關管得不到完全的應用，相應的電平也沒有得到充分應用，多電平逆變器就失去了其最大的優勢。多電平逆變器載波交疊式pwm方法（carrier-overlapping pwm，簡稱為copwm）利用了多電平逆變器多個載波之間在豎直方向上的偏移量這個自由度，該方法在低調制度下具有良好的諧波特性，在高調制度范圍內諧波特性和傳統的消諧波pwm方法基本相同。
對于一個n電平的變換器，每相采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰—峰值ac的三角載波與一個頻率為fm，幅值為am的正弦波相比較，（n-1）個三角載波在豎直方向上相互交疊ac/2，最上部的三角載波的峰點所對應的縱坐標和最下部的三角載波的谷點所對應的縱坐標是關于零參考對稱的，如圖4所示。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應的開關器件，反之，如果調制波的幅值小于某個三角波的幅值則關斷該器件。
圖4 載波交疊式pwm方法原理圖
3 新型的二極管箝位型多電平逆變器載波pwm法
在sfopwm方法中，向正弦調制波中注入零序分量，解決了shepwm法直流電壓利用率低的缺點，使調制度達到了1.15，這非常符合人們對高電壓調制比的需要[5]。本文在綜合分析二極管箝位型逆變器的不同的pwm調制方法，以及他們在不同調制度下的特性的基礎上，將載波交疊式pwm法與開關頻率優化pwm法相結合，得到了一種無論是在高調制度還是在低調制度下都有良好性能的新型pwm控制方法，其原理如圖5所示，就是在調制波中注入零序分量，載波采用相互交疊的形式，由于注入了零序分量，該方法仍然只適用于三相系統。
圖5 新型pwm控制方法原理圖
4 仿真結果及分析
為了驗證這種新型pwm控制方法的效果,用matlab進行了仿真研究。建立了一個二極管箝位型五電平逆變器,母線直流電壓采用400v,設定開關頻率為1.08khz,分別采用shepwm控制方法和這種新型的pwm方法對在低調制度下（ma＝0.3）和高調制度（ma＝0.8）進行了仿真分析。
圖6和圖8是shepwm方法在調制度分別為0.3和0.8時相電壓和線電壓波形的仿真結果；圖7和圖9是這種新型pwm控制方法在調制度分別為0.3和0.8時相電壓和線電壓波形的仿真結果。由仿真結果可知：在低調制度下，shepwm方法會產生電平退化現象，而這種新型的pwm方法則由于直流側各個電平都得到應用，因而具有更好的諧波性能。在高調制度情況下，這種方法與常規的shepwm方法相比，最顯著的優點在于在諧波性能基本不變的情況下可以把輸出電壓的電壓調制比提高到1.15,提高了直流電壓的利用率。
圖6 五電平逆變器shepwm方法調制度為0.3時的仿真結果
圖7 五電平逆變器新型pwm方法調制度為0.3時的仿真結果
圖8 五電平逆變器shepwm方法調制度為0.8時的仿真結果
圖9 五電平逆變器新型pwm方法調制度為0.8時的仿真結果
5 結束語
二極管箝位型多電平逆變器是近年來高壓、大功率領域的一個研究熱點，其相應的pwm技術又是研究的核心方向。本文在分析已有載波pwm控制方法的基礎上，提出了一種新型的pwm控制方法，該方法在低調制度下具有良好的諧波特性，同時可以提高調制度，增加直流電壓利用率。由于在三相系統中注入的3的整數倍次諧波可以相互抵消，因此該方法尤其適合高電壓調制度的三相功率變換場合。
：鞏經理
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