一种三电平H桥逆变电路低调制比时的窄脉冲补偿方法

张成



一种三电平H桥逆变电路低调制比时的窄脉冲补偿方法

张成

（湘潭电机股份有限公司特种电气事业部，湖南湘潭 411101）

为了保证电力电子开关器件工作在其安全工作区，开关器件均有其最小要求的开通和关断时间。基于H桥单元拓扑结构的NPC三电平逆变器中的窄脉冲会导致逆变器的输出电压和电流发生严重畸变，因此必须对这种窄脉冲进行抑制和补偿。现有的解决方法在系统低调制比时会改输出电压的基波幅值，存在窄脉冲抑制不彻底和增加低次谐波的输出含量的缺点。基于此，本文提出了一种适用于H桥单元拓扑结构的NPC三电平逆变器的窄脉冲补偿方法，对该方法进行了详细的理论分析，阐明了该方法在载波层叠SPWM调制和载波移相SPWM调制中的内在联系。在逆变器的低调制比时，该方法不会改变逆变器输出电压的基波幅值，也不会增加输出的低次谐波含量。仿真和系统试验结果证明了该方法的正确性和有效性。

SPWM H桥单元拓扑 NPC三电平逆变器 低调制比 窄脉冲补偿

0 引言

随着社会发展的进步和需求，电力电子变换器的功率容量等级不断提高，基于H桥基本结构单元的二极管中点钳位型（NPC）三电平逆变器以其低的电流输出谐波含量得到了广泛地应用。这种H桥单元结构的NPC三电平逆变器脉宽调制方法有多种，但以载波层叠和载波移相的脉宽调制方法应用最为广泛。

本文针对这种低调制比区域内的窄脉冲抑制和补偿方法开展了相关研究，阐明了载波层叠PWM调制和载波移相PWM调制的窄脉冲抑制算法的内在联系，指出了现有文献的结论存在缺陷。以载波层叠PWM调制方式为例，较为系统的对NPC三电平拓扑结构中的窄脉冲问题进行了分析研究，提出了一种基于零序偏置量注入的窄脉冲抑制和补偿方法，在实现消除窄脉冲的同时没有改变系统输出电压的基波幅值和增加输出谐波，并将本文所提出的窄脉冲补偿方法应用于推进变频器装置中进行试验验证，试验结果表明了该方法正确性和有效性。

1 提出的窄脉冲补偿方法

下面讨论载波层叠SPWM调制方式时H桥NPC三电平拓扑中的窄脉冲抑制和补偿方法

以一个NPC三电平H桥单元主电路为例，对三电平拓扑中的窄脉冲抑制和补偿算法进行分析。NPC三电平H桥单元主电路如图1所示。根据三电平H桥电路工作原理，可得H桥电路输出电压表达式为

式中U为H桥电路直流侧电压，S()为H桥电路中开关管的开关函数，=1，2，3，…。当S()=1时，表示对应开关管开通状态；当S()=0时，表示对应的开关管处于关断状态。因此可得H桥电路输出电压为

(2)

图1 NPC三电平H桥单元主电路拓扑

假设H桥单元主电路的调制波参考为，则实际的左右桥臂的调制波信号分别为和-，左桥臂调制波与上三角波比较产生T1和T3管的驱动脉冲信号，与下三角波比较产生T2管和T4管的驱动脉冲信号器；右桥臂调制波-与上三角波比较产生T5管和T7管的驱动脉冲信号，与下三角波比较产生T6管和T8管的驱动脉冲信号。在三电平载波层叠SPWM调制的逆变拓扑中，窄脉冲主要发生在调制波过零点附近，因此可以通过对调制波加入零序偏置量进行最小脉宽的校正。

如图2所示，假设所要设定的最小脉宽为T-min，开关周期为T，三角载波的峰峰值为2U，则对称规则采样时，最小脉宽所对应时刻的调制波幅值可根据式（3）来进行计算。

图3 对称规则采样时输出脉冲宽度减半时刻

在采用对称规则采样方法产生PWM脉冲时，可能刚好存在从采样点（即对应的三角波正峰值或负峰值，这时取决于正峰值点采样还是负峰值点采样）开始由正向负或由负向正跳变的时刻，实际输出的脉冲宽度会减半，如图3所示。因此为了保证最小脉冲的宽度仍为式（3）所示的值，则进行零序分量校正的门槛应按式（4）来进行设定。

考虑到上述所示的校正算法中，可能会存在跳转点恰为=±e的比较点，这样就会产生比较点幅值正负相加的情况，如图6所示，从而会产生新的窄脉冲。因此应将最终偏置量()应按式（5）来进行设定。

（5）

由上述分析可知，具体的补偿算法实现如下：

如果||≥e，则u=、u=；

如果||<e且≥0，则u=+()，u=+()；

如果||<e且<0，则u=-()、u=-()。

2 仿真分析

由上述分析可知，在载波层叠PWM的开关频率是载波移相PWM的开关频率2倍的情况下，其开关损耗、输出电压频谱及最小脉宽的抑制设定值将完全相同。因此，为了验证本文所提出的最小脉宽抑制算法的正确性和可行性，本文只对载波层叠PWM调制方法进行仿真和试验分析。

2.1仿真分析

为了验证本文所提的最小脉宽抑制算法的正确性、可行性和优越性，分别进行不进行抑制、传统的固定值限定法和本文所提的最小脉宽抑制算法进行了仿真对比分析。仿真主电路如图3所示，H桥逆变主电路的直流母线输入V=4000V。仿真时设置的参数为：三角载波峰峰值2U=100000，调制波峰峰值U=100000。由于本文所提窄脉冲抑制方法主要是针对变频器工作在低速低调制比区域，因此将转速设定为50 r/min，此时对应的调制波频率为5 Hz，即此时调制波的周期为200 ms，系统开关周期为1ms，死区时间设定为10 μs，所需最小脉宽时间设定为15μs。

采用传统的固定值限定法进行仿真的算法如下：

当调制波数据53000>u≥50000或53000>u≥50000时，u=53000或u=53000；

当调制波数据50000>u≥47000或50000>u≥47000时，u=47000或u=47000；

其他情况下，u=u，u=u。

采用本文所提窄脉冲抑制方法时，根据式（3）可得此时施加的偏置量()对应的数字量为6000。

图4 仿真时输出电压的基波电压峰值曲线图

图5 仿真时输出电压的THD值曲线图

当调制波频率为5 Hz时，调制比在0.1～0.9之间变化时，仿真得到输出电压的基波电压峰值和总的THD值分别如图4和图5所示。从图中可以看出，在低调制比0.1～0.2区域内，采用传统固定值限定法的输出电压基波峰值最大，但此时输出电压的THD值也最大，这主要是由于在调制波幅值较小的时候，由于固定值的限定强行将调制波的幅值限定在在53000或是47000，虽然得到的输出电压峰值比不进行窄脉冲抑制时的输出电压高，但输出电压会发生了畸变，因此采用此方法时输出电压的THD值最大。而采用本文所提抑制方法时，所得到的输出电压的基波电压峰值与不进行窄脉冲抑制时的输出电压的基波电压峰值很接近，两者之间只有约2V左右的差距，且此时两者的THD值差值也只有1.2%左右，基本符合本文的理论分析结果。

图6 固定值限定法输出波形图

图7 所提窄脉冲补偿方法输出波形图

2.2 系统试验验证

将本文所提出的窄脉冲补偿方法应用实际的推进变频器中，变频器输出控制感应推进电机。该变频器控制系统的输出频率为20 Hz，开关频率为500 Hz，电机的额定输出转速为200 r/min，控制系统采用/=的闭环SPWM控制方式。

为了验证本文所提出的窄脉冲补偿方法的正确性和有效性，图6和图7分别给出了采用固定值限定法和所提出的补偿法时变频器的输出波形图。由于本文所提的补偿方法主要关注在低调制比区域的效果，因此图6和图7给出的是电机转速在100转以下时的输出曲线图，此时对应的频率范围为0～10 Hz，调制比对应的范围大约在0～0.42之间。

图6为采用固定值限定法时的输出波形。图中t时间段为电机的充磁过程，转速为0，t时间段为电机转速从0上升至100 r/min左右的过程。从图6可以看出，由于采用固定值限定法，在电机的充磁阶段和低速阶段内，转子磁链存在有比较大的振荡，且输出转矩脉动较大。

图7为采用本章所提窄脉冲补偿方法时的输出波形。图中t时间段为电机的充磁过程，转速为0，t时间段为电机转速从0上升至100 r/min左右的过程。从图7可以看出，采用本章所提的窄脉冲的补偿方法后，在电机的充磁阶段t内，电机的转子磁链和输出转矩都很平稳，且在电机的低速阶段t内，相比于传统的加宽窄脉冲补偿方法，转子磁链的振荡明显减小，且输出转矩的脉动也明显减少，表明了所提窄脉冲补偿技术的正确性和有效性。

3 结束语

本文根据H桥NPC三电平电路的基本工作原理，当采用SPWM调制方法时，针对在低调制比区域时，由于调制波幅值较小，在调制波的过零点处容易产生窄脉冲的问题，提出了一种基于载波SPWM控制方法的零序偏置量注入的窄脉冲补偿方法，该方法不会对H桥电路的输出造成任何影响，可以在消除窄脉冲的同时，不会改变电路输出电压的基波幅值和增加输出电压的谐波。

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A Narrow-pulse Compensation Method for Three-level H-bridge Inverter in Low Modulation Ratio Region

Zhang Cheng

(Special Electric Business Department, Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan , China)

Considering that the existing narrow pulse compensation technology used in SPWM (Sine Pulse Width Modulation) inverter will influence the starting and low-speed performance and increase the torque ripple of the motor, the paper proposes a three-level narrow pulse compensation technology for the distributed control system in a SPWM modulation mode by zero sequence bias injection, which can improve the low-speed performance and decrease the torque ripple of the motor. The simulation and experimental results show that the method is effective.

narrow pulse compensation; distributed control system; zero sequence bias; torque ripple of the motor.

TM461

A

1003-4862（2017）01-0077-04

2016-11-15

张成（1983-），男，博士，工程师。研究方向：电力电子技术。