一种三电平电源的控制方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种三电平电源的控制方法、装置及系统，属于电力电子领域。对三电平电源控制时，针对三电平电源包括的每一桥电源单元，根据桥电源单元预设输出电压（即用户设定期望输出的电压）的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值；并根据调制方波的频率设置三角载波的频率；设置好之后根据设置的参数产生并输出三角载波和调制方波进行调制得到桥电源单元内各开关管的驱动信号，根据得到的驱动信号控制桥电源单元内的各开关管即可得到该桥电源单元的输出电压。也即本发明实施例实现了通过方波调制对三电平电源控制，输出中、高频电压，并可以提升直流母线电压利用率。
【专利说明】
一种三电平电源的控制方法、装置及系统
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种三电平电源的控制方法、装置及系统。
【背景技术】
[0002] 在很多应用场合需要三电平中频电源，如臭氧发生器等。通过调节电源的频率，使 得整个电路产生谐振，即此时电路呈现纯阻性，功率因数高。一般达到谐振需要几 KHz的工 频电源。通过交-直-交的控制方式，将工频电源整流成直流，然后逆变成电压和频率可调的 交流电。现有的常规实现方式是采用PWM调制，输出频率和幅值可调的交流电，而目前的调 制方法分SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制）和SVM(Space Vector Modulation，空间矢量调制）。对于SPWM调制方法通过调制波和载波进行不对称规 则采样，计算每个开关周期开关的开通及关断时间，通过控制调制波的频率和幅值，进而产 生三相对称的正弦波交流电源，在SPWM调制方法中，载波的频率往往需选用远大于调制波 的频率，以保证二者在调制过程中有足够的交点。而SVM则主要是通过空间矢量的调制方 法，通过控制旋转电压矢量的幅值和频率，产生三相对称的正弦波交流电源。
[0003] 本发明提出一种不同于上述两种调制方法的新P丽调制方法。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种三电平电源的控制方法、装置及系统，主要解决的技术问题是;对 三电平电源提供一种新的PWM调制方法。
[0005] 根据第一方面，一种实施例中提供三电平电源的控制方法，所述三电平电源包括 至少一个桥电源单元;所述方法包括：
[0006] 针对每一所述桥电源单元，根据所述桥电源单元预设输出电压的频率和幅值分别 设置调制方波的频率和幅值；
[0007] 根据所述调制方波的频率设置三角载波的频率；
[0008] 产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制，得到所述桥电源单元内各开 关管的驱动?目号；
[0009] 根据所述驱动信号控制所述桥电源单元内的各开关管，得到所述桥电源单元的输 出电压。
[0010] 进一步地，根据所述桥电源单元预设输出电压的频率设置所述调制方波的频率包 括：
[0011] 将所述调制方波的频率设置为与所述桥电源单元预设输出电压的频率相等。
[0012] 进一步地，根据所述调制方波的频率设置三角载波的频率包括：
[0013] 当所述桥电源单元预设输出电压的频率大于预设高频阈值时，将所述三角载波的 频率设置为与所述调制方波的频率相等。
[0014] 进一步地，所述三电平电源为三电平单相半桥电源、三电平单相Η桥电源或三电平 三相全桥电源。
[0015] 进一步地，所述三电平电源为三电平单相Η桥电源时，所述三电平单相Η桥电源的 两个桥电源单元预设输出电压的占空比不相等，或所述两个桥电源单元的占空比相等、三 角载波的相位相差预设角度α。
[0016] 进一步地，所述两个桥电源单元的占空比相等、三角载波的相位相差预设角度α 时，针对各桥电源单元输出所述三角载波和调制方波进行调制包括：
[0017] 同时输出所述三角载波和所述调制方波；
[0018] 在三角载波的每个最低点和最高点更新所述调制方波的极性；
[0019] 根据所述三角载波和所述调制方波的交点对应生成所述各开关管的驱动信号。
[0020] 根据第二方面，一种实施例中提供一种三电平电源的控制装置，所述三电平电源 包括至少一个桥电源单元;所述控制装置包括控制器和信号处理器；
[0021] 所述信号处理器用于针对每一所述桥电源单元，根据该桥电源单元预设输出电压 的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根据所述调制方波的频率设置三角载波 的频率，以及用于产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制，输出所述桥电源单 元内各开关管的驱动信号；
[0022] 所述控制器用于将所述驱动信号输入所述桥电源单元，控制所述桥电源单元内的 各开关管得到所述桥电源单元的输出电压。
[0023] 进一步地，所述信号处理器用于在所述桥电源单元预设输出电压的频率大于预设 高频阈值时，将所述调制方波的频率设置为与所述桥电源单元预设输出电压的频率相等。 [0024]进一步地，所述信号处理器用于将所述三角载波的频率设置为与所述调制方波的 频率相等。
[0025] 进一步地，所述信号处理器还用于在所述三电平电源为三电平单相Η桥电源，且所 述三电平单相Η桥电源的两个桥电源单元预设输出电压的占空比相等时，将所述两个桥电 源单元的两个三角载波的相位设置为相差预设角度α。
[0026] 根据第三方面，一种实施例中提供一种三电平电源系统，包括三电平电源和如上 所述的控制装置;所述三电平电源包括至少一个桥电源单元;所述控制装置与所述三电平 电源连接；
[0027] 所述控制装置用于针对每一所述桥电源单元，根据该桥电源单元预设输出电压的 频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根据所述调制方波的频率设置三角载波的 频率，然后产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制得到对所述桥电源单元内各 开关管的驱动信号；以及用于根据所述驱动信号控制所述各开关管，得到所述桥电源单元 的输出电压。
[0028] 有益效果：
[0029]本发明实施例提供的三电平电源的控制方法、装置及系统，对三电平电源控制时， 针对三电平电源包括的每一桥电源单元，根据桥电源单元预设输出电压（即用户设定期望 输出的电压）的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值;并根据调制方波的频率设置 三角载波的频率;设置好之后根据设置的参数产生并输出三角载波和调制方波进行调制得 到桥电源单元内各开关管的驱动信号，根据得到的驱动信号控制桥电源单元内的各开关管 即可得到该桥电源单元的输出电压。也即本发明实施例实现了通过方波调制对三电平电源 控制，可以提升直流母线利用率。
[0030] 进一步地，本发明实施例中，由于调制波采用方波，因此当桥电源单元预设输出电 压的频率大于预设高频阈值(例如2KHZ)时，还可将调制方波的频率设置为与桥电源单元预 设输出电压的频率相等，将三角载波的频率设置为与调制方波的频率相等，保证桥电源单 兀最终输出电压的频率与载波频率相等，可以有效减少在一个调制周期内开通和关断的次 数，降低桥电源单元的开关损耗，使得电源散热更易控制。
[0031] 进一步地，本发明实施例中电源为三电平单相Η桥电源，其两个桥电源单元的占空 比相等时，还可进一步设置这两个桥电源单元的三角载波的相位相差预设角度α，在调制时 对各桥电源单元的载波进行载波移相处理，可以有效降低开关导通和关断过程中的，还 可有效减少输出电压的谐波含量。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明实施例一中的三电平电源的控制方法流程示意图；
[0033] 图2为本发明实施例二中的三电平电源系统结构示意图；
[0034]图3为图2中三电平电源的一种拓扑结构示意图；
[0035]图4为图2中三电平电源的另一种拓扑结构示意图；
[0036]图5为图2中三电平电源的另一种拓扑结构不意图；
[0037]图6为图2中控制装置的结构示意图；
[0038]图7为本发明实施例三中对三电平单相半桥电源进行控制的信号比较示意图； [0039]图8为本发明实施例三中对三电平单相Η桥电源进行控制的信号比较示意图；
[0040]图9为本发明实施例三中对三电平单相Η桥电源进行控制的另一信号比较示意图； [00411图10为本发明实施例三中三电平三相全桥电源输出占空比为60°输出方波信号示 意图；
[0042]图11为本发明实施例三中三电平三相全桥电源输出占空比为120°输出方波信号 示意图；
[0043]图12为本发明实施例三中三电平三相全桥电源输出占空比为180°输出方波信号 示意图。
【具体实施方式】
[0044]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明中一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 实施例一：
[0046] 本实施例对三电平电源控制过程中，采用的调制方式不同于现有SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制）和SVM(Space Vector Modulation，空间矢量调制），而是采用方波调制。相对现有上述两种调制方式，具有直流母 线利用率更高，在一个调制周期内开通和关断的次数更少，开关损耗更低，散热更易控制等 优点。本实施例中的三电平电源包含至少一个桥电源单元，具体包含桥电源单元的个数可 以根据具体的电源拓扑结构灵活设定。例如三电平电源为三电平单相半桥电源时，包含一 个桥电源单元;三电平电源为三电平单相Η桥电源时，包含两个桥电源单元;三电平电源为 三电平三相全桥电源，包含三个桥电源单元。
[0047]应当理解的是，本实施例中的三电平电源包含的桥电源单元个数可以根据实际输 出电压需求等因素灵活设置，且本实施例中电源包含的多个桥电源单元的输出电压可以全 部相等，也可以根据实际需求设置为至少一个与其他不相等。另外，应当理解的是，本实施 例中三电平源包括的桥电源单元，各桥电源单元之间的连接关系以及具体结构可以根据具 体需求灵活设定。
[0048] 本实施例中，对三电平电源的控制方法包括对三电平电源的每一桥电源单元进行 图1所示的以下控制：
[0049] S101:获取桥电源单元预设输出电压的频率和幅值;该预设输出电压可以为用户 根据实际需求所期望的桥电源单元的输出电压，其频率和幅值也可以由用户根据当前需求 灵活设定。
[0050] S102:根据桥电源单元预设输出电压的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅 值。
[0051 ]本实施例中，可将调制方波的频率设置为与桥电源单元预设输出电压的频率相 等。
[0052]本实施例中，对于根据桥电源单元输出电压的幅值确定调制方波的幅值，可以根 据输出电压的幅值、占空比确定输出电压为高电平时间t〇n，再根据t〇n，利用载波的周期、幅 值确定出调制方波的幅值。具体计算方式可以利用现有任意成熟的计算方式。在此不再赘 述。
[0053] S103:根据调制方波的频率设置三角载波的频率。
[0054]本实施例中，对于三角载波幅值的确定可以利用根据PWM调制原理得到，在此不再 赘述。
[0055] S104:根据上述设置产生并输出三角载波和调制方波进行调制，得到桥电源单元 内各开关管的驱动信号。
[0056] S105:根据驱动信号控制桥电源单元内的各开关管，最终得到桥电源单元的输出 电压。
[0057] 通过图1所述的步骤即可通过方波调制实现对各桥电源单元输出电压的控制。当 电源包含多个桥电源单元时，对于每个桥电源单元都可以按照图1所示过程进行控制。
[0058]本实施例中，桥电源单元输出电压的频率大于预设高频阈值(例如2KHZ)时，可将 三角载波的频率设置为与调制方波的频率相等。由于输出电压的频率与调制方波频率相 等，因此最终得到的输出电压的频率与载波频率相等。这也可以有效减少在一个调制周期 内调制方波与三角波的相交次数，进而减少一个调制周期内的开通和关断的次数，降低开 关损耗，使得电源散热更易控制。应当理解的得是，本实施例中的高频阈值灵活设置，并不 限于上述示例的2KHZ。例如可以将其设置为保证较好的调制效果时，载波频率能取的最低 载波频率值。
[0059]本实施例中的三电平电源为三电平单相Η桥电源时，三电平单相Η桥电源的两个桥 电源单元预设输出电压的占空比可以不相等，此时相电压为对称电压方波输出，线电压由 对称电压叠加。三电平单相Η桥电源的两个桥电源单元预设输出电压的占空比也可以相等， 此时可以将两个桥电源单元的三角载波的相位设置为相差预设角度α;此时相电压为不对 称电压方波输出，线电压为相移叠加。
[0060] 实施例中，当三电平电源为三电平单相Η桥电源，且其两个桥电源单元的占空比相 等、为了有效降低开关导通和关断过程中的
，可以设置且其两个桥电源单元三角载波的 相位相差预设角度α，此时针对这两个桥电源单元输出三角载波和调制方波进行调制包括：
[0061] 同时输出三角载波和所述调制方波；
[0062] 在三角载波的每个最低点和最高点更新所述调制方波的极性；
[0063] 根据三角载波和调制方波的交点对应生成各开关管的驱动信号。
[0064]因此为了保证桥电源单元输出对称的方波，需保证产生的驱动信号（也即ΠΜ波） 非对称，因此在每个载波周期的最低点和最高点更新比较值，也即更新调制方波的极性。
[0065] 本实施例实现了通过方波调制对电源控制，可以提升直流母线利用率。且本实施 例中当桥电源单元预设输出电压的频率大于预设高频阈值时，可直接将三角载波的频率设 置为与调制方波的频率相等，保证桥电源单元最终输出电压的频率与载波频率相等，能有 效减少在一个调制周期内开通和关断的次数，降低桥电源单元的开关损耗。另外，三电平电 源包含多个桥电源单元时，在调制时对各桥电源单元的载波进行载波移相处理，因此可以 有效降低开关导通和关断过程中的
，还可有效减少输出电压的谐波含量。
[0066] 实施例二：
[0067] 参见图2所示，本实施例提供了一种电源系统，包括三电平电源21和控制装置22; 三电平电源21电源包括至少一个桥电源单元211，控制装置22与三电平电源21连接。本实施 例中的三电平电源21可以为三电平单相半桥电源、三电平单相Η桥电源或三电平三相全桥 电源或其他类型的三电平三相全桥电源。应当理解的是，本实施例中的电源包含的桥电源 单元个数可以根据实际输出电压需求等因素灵活设置，且本实施例中电源包含的多个桥电 源单元的输出电压可以全部相等，也可以根据实际需求设置为至少一个与其他不相等。下 面以三电平电源21的以上三种具体拓扑结构进行示例说明。请分别参见图3、图4和图5所 示。图3所示的三电平电源21为三电平单相半桥电源拓扑结构，包含1个桥电源单元，由开关 管Α1、开关管Α2、开关管A3、开关管Α4组成。图4所示的三电平电源21为三电平单相Η桥电源 拓扑结构，包含2个桥电源单元，分别由开关管Α1、开关管Α2、开关管A3、开关管Α4和开关管 Β1、开关管Β2、开关管Β3、开关管Μ组成。图5所示的三电平电源21为三电平三相全桥电源拓 扑结构，包含3个桥电源单元，分别由开关管Α1、开关管Α2、开关管A3、开关管Α4,开关管Β1、 开关管Β2、开关管Β3、开关管Β4组成以及开关管C1、开关管C2、开关管C3、开关管C4组成。 [0068]应当理解的是，本实施例中三电平电源21的具体拓扑结构可以根据实际需求灵活 设置，且各桥电源单元的具体结构也可以根据实际应用场景灵活设定。
[0069]本实施例中，控制装置22对各桥电源单元，采用方波调制方式按实施例一所示控 制方法对各桥电源单元进行控制，相对于现有SPWM和SVM，具有直流母线利用率更高，在一 个调制周期内开通和关断的次数更少，开关损耗更低，散热更易控制等优点。具体的，控制 装置22根据桥电源单元预设输出电压的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根 据调制方波的频率设置三角载波的频率，然后按照上述设置产生并输出三角载波和调制方 波进行调制得到对桥电源单元内各开关管的驱动信号；以及根据驱动信号控制桥电源单元 的各开关管，得到桥电源单元的输出电压。
[0070] 具体的，参见图6所示，本实施例中电源的控制装置22包括信号处理器221和控制 器222;其中：
[0071] 信号处理器221用于针对各桥电源单元，根据桥电源单元预设输出电压的频率和 幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根据所述调制方波的频率设置三角载波的频率， 以及用于按照上述设置产生并输出三角载波和所述调制方波进行调制，输出桥电源单元内 各开关管的驱动信号。
[0072] 本实施例中，信号处理器221可将调制方波的频率设置为与桥电源单元预设输出 电压的频率相等。对于根据桥电源单元输出电压的幅值确定调制方波的幅值，可以根据输 出电压的幅值、占空比确定输出电压为高电平时间U n，再根据t〇n，利用载波的周期、幅值确 定出调制方波的幅值。具体计算方式可以利用现有任意成熟的计算方式。在此不再赘述。 [0073]本实施例中，桥电源单元输出电压的频率大于预设高频阈值(例如2KHZ)时，信号 处理器221还用于将三角载波的频率设置为与调制方波的频率相等。由于输出电压的频率 与调制方波频率相等，因此最终得到的输出电压的频率与载波频率相等。这也可以有效减 少在一个调制周期内调制方波与三角波的相交次数，进而减少一个调制周期内的开通和关 断的次数，降低开关损耗，使得电源散热更易控制。应当理解的得是，本实施例中的高频阈 值灵活设置，并不限于上述示例的2KHZ。例如可以将其设置为保证较好的调制效果时，载波 频率能取的最低载波频率值。
[0074]控制器222用于将驱动信号输入桥电源单元，控制桥电源单元内的各开关管得到 桥电源单元的输出电压。
[0075]本实施例中，三电平电源为三电平单相Η桥电源时，三电平单相Η桥电源的两个桥 电源单元预设输出电压的占空比可以不相等，此时相电压为对称电压方波输出，线电压由 对称电压叠加。三电平单相Η桥电源的两个桥电源单元预设输出电压的占空比也可以相等， 此时可以将两个桥电源单元的三角载波的相位设置为相差预设角度α;此时相电压为不对 称电压方波输出，线电压为相移叠加。
[0076]实施例中，当三电平电源为三电平单相Η桥电源，且其两个桥电源单元的占空比相 等，为了有效降低开关导通和关断过程中的
，信号处理器221可以设置且其两个桥电源 单元三角载波的相位相差预设角度α，此时信号处理器221针对这两个桥电源单元输出三角 载波和调制方波进彳丁调制包括：
[0077]同时输出三角载波和所述调制方波；
[0078] 在三角载波的每个最低点和最高点更新所述调制方波的极性；
[0079] 根据三角载波和调制方波的交点对应生成各开关管的驱动信号。
[0080] 也即此时为了保证桥电源单元输出对称的方波，需保证产生的驱动信号（也即PWM 波)非对称，因此信号处理器21在每个载波周期的最低点和最高点更新比较值，也即更新调 制方波的极性。
[0081 ] 应当理解的是，本实施例中的信号处理器21可以通过DSP(Digital Signal Processing)实现，且具体可以提供定时器工作于连续增减技术方式实现生成各种波。 [0082]本实施例中的控制装置22通过方波调制对电源控制，可以提升直流母线利用率。 且控制装置22可根据具体应用直接将三角载波的频率设置为与调制方波的频率相等，保证 桥电源单兀最终输出电压的频率与载波频率相等，能有效减少在一个调制周期内开通和关 断的次数，降低桥电源单元的开关损耗。
[0083]另外，本实施例中的三电平电源为三电平单相Η桥电源，且其两个桥电源单元的占 空比相等时，控制装置22在调制时对各桥电源单元的载波进行载波移相处理，因此可以有
效降低开关导通和关断过程中的一，还可有效减少输出电压的谐波含量。
[0084] 实施例三：
[0085]为了更好的理解本发明，本实施例以实施例二中的图3、图4以及图5所示的三电平 电源拓扑结构，并结合方波函数对本发明的方案和效果做进一步示例说明。
[0086] 对于图3所示的三电平电源的拓扑图，桥电源单元包括Α1、Α2、Α3和Α4四个开关管。 如上所述，对于该桥电源单元的控制过程如下：
[0087] 获取桥电源单元预设输出电压的频率和幅值。
[0088] 根据桥电源单元预设输出电压的频率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值(Vp 和Vn);具体的将调制方波的频率设置为与桥电源单元预设输出电压的频率相等。
[0089] 将三角载波的频率设置为调制方波的频率相等。
[0090] 根据设置产生并输出三角载波和调制方波进行调制，得到桥电源单元内各A1、A2、 A3和A4四个开关管的驱动信号；
[0091] 根据A1、A2、A3和A4四个开关管的驱动信号分别控制A1、A2、A3和A4四个开关管最 终输出图7所示的Ucmt。图7中TjPT 2分别为桥电源单元在正负周期输出高电平的时间，h = T2 = Τ〇η。T?为三角载波的周期，也等于调制方波的周期，其中T?包含6个Τ〇η。
[0092] 由图7可以得到各开关管的开关导通状态见表1所示。
[0093] 表 1
[0095]根据图7可知，单个桥电源单元输出方波函数如下：
[0109]单个桥电源单元的输出电压含有1、3、5…等奇次谐波，其中基波：
[0111] 由上式可知，输出电压的基波频率即为载波频率，其幅值由Τ〇η决定。
[0112] '，因此有较高的电压 利用率。
[0113]对于图4所示的三电平单相Η桥电源的拓扑图，对于图4中A线对应的桥电源单元的 四个开关管A1、A2、A3和A4，以及B线对应的桥单元的四个开关管B1、B2、B3和B可分别进行上 述控制，然后A线和B线的电压差作为电源输出。
[0114]具体的，三电平单相Η桥电源的电压输出取AB相间的线电压，线电压的计算方式： 1]。1^ = 11?-1^。线电压的输出有两种方式：（1)相电压为对称电压方波输出，线电压由对称电 压叠加；（2)相电压为不对称电压方波输出，线电压为相移叠加。下面分别结合上述两种方 式对本实施例进行进一步说明。
[0115] (1)对称电压输出方式:两相电压的占空比时间不等；
[0116] 采用上述方波调制方式分别对Α线对应的桥电源单元和Β线对应的桥电源单元进 行控制得到输出的过程参见图8所示。根据图8可以得到A线和B线对应的开关状态表，见下 表2所示：
[0117] 表2
[0118]
[0119] 图8中UA和UB分别为A线对应的桥电源单元和B线对应的桥电源单元的输出电压， Uout为Ua和Ub叠加后输出的电源电压，从图中可以看出叠加后输出的电源电压为阶梯形。
[0120] 图8中为对称电压输出，TifTs，则基于上述单个桥电源单元的输出电压基波有基 波公式可以得到三电平单相Η桥电源的基波公式如下：
[0122] 根据上式可知，输出电压的基波幅值也为载波频率，其幅值由每相的占空比决定。
[0123] (2)不对称电压输出，相电压有相移，但占空比时间相等。
[0124] 采用上述方波调制方式分别对Α线对应的桥电源单元和Β线对应的桥电源单元进 行控制得到输出的过程参见图9所示。根据图9可以得到A线和B线对应的开关状态表，见下 表3所示：
[0125] 表3
[0128]
>相移角度也可以为负（即B相电压的相位超前于A
相电压的相位）；此过程中，由于输出PWM波形为不对称采样，因此每个载波周期需要更新两 次比较寄存器值，在上图中两个Update点处，即载波最高点和载波最低点进行更新。
[0129] 图9中UA和UB分别为A线对应的桥电源单元和B线对应的桥电源单元的输出电压，二 者Uqut为Ua和Ub叠加后输出的电源电压，从图中可以看出叠加后输出的电源电压也为阶梯 形。
[0130] 如上所述，图9中由于其电压输出波形与对称电压输出相同，因此，为保证输出电 压基波的正弦度，需要TsiTi+AT，即相移所对应的时间为ΔΤ。此时基于上述单个桥电源单 元的输出电压基波有基波公式可以得到三电平单相Η桥电源的基波仍为：
[0132]根据基波幅值对比：
[0135] 因此单相Η桥的输出电压比单相半桥的输出电压大。
[0136] iTpTsrTon，为保证电压输出正常，需要ΔΤ = 0,此时输出电压幅值最大：
[0138]此时输出电压基波幅值超过了母线电压，为母线电压的 ，有很高的电压利用 率。
[0139]且由于如图8、图9中阶梯形的线电压电压输出波形，可在开关管开通和关断过程 中，有效地抑制du/dt。
[0140]对于图5所示的三电平三相全桥方波电源图谱结构，由于三相对称且相电压相移 120°，因此三相输出电压一致，可用AB两相的线电压类推其他两线电压。下面仅以AB两相的 线电压进行示例说明。参见图10-12所示。图10所示为A线桥电源单元和B线桥电源单元输出 占空比为60°时的线电压输出示例。图11所示为A线桥电源单元和B线桥电源单元输出占空 比为120°时的线电压输出示例。图12所示为A线桥电源单元和B线桥电源单元输出占空比为 180°时的线电压输出示例。
[0141]由图10-12可知，三种情况足以概括所有对称P丽调制的电压输出，占空比角度在 60°以下时，与图10类似；占空比角度(60°，120°)时，与图11类似；占空比角度（120°，180°) 时，与图12类似;若占空比角度超过180°，则三相线电压正负不对称;线电压、可以根据线电 压相移120°得到。
[0142]基于上述单个桥电源单元的输出电压基波有基波公式可以得到AB两相的线电压 的基波为：
[0145] 由上式可知，基波幅值由Ton决定，为单相半桥方波电源的方倍，为母线电压的
[0146] 占空比对应角度Θ的范围为:60°<θ<120°或120°<θ<180°时，线电压波形为五 电平阶梯波；占空比对应角度为120°时，线电压波形为四电平阶梯波；因此，相对于单相Η桥 有更小的du/dt。
[0147] 由上三种拓扑可知，本实施例中采用方波调制，占空比决定了输出电压的基波幅 值，单相基波幅值最大
，三相基波幅值最大
；载波频率决定了输出电压的基波 频率，对于开关器件来说，载波频率可以很高，从而输出电压的基波频率也能达到对应频 率。
[0148] 对于三电平拓扑中点电压平衡
[0149] 1)三电平单相半桥方波电源中点电压平衡
[0150] 假设，图3中电流方向为正，此时中点电压对应关系表见下表4所示。
[0151] 表4
[0153] 由于在相同电流方向时，不同的开关状态对中点电压偏移量的影响相同，因此不 可以通过增加或减少对应开关状态的时间来调节中点电压。只能通过在不同电流状态时的 开关状态切换来保证中点电压的平衡。
[0154] 2)三电平单相Η桥方波电源中点电压平衡
[0155] 假设，图4中电流方向为正；由于线电压状态ΡΝ、ΝΡ、ΡΡ、ΝΝ四种状态对中点电压没 有影响，可忽略；中点电压对应关系表见下表5所示：
[0156] 表5
[0157]
[0158] 以Ρ0开关状态为例，若在电流方向为正时，中点电压偏高，需要将开关状态0Ν或0Ρ 的作用时间增加，以降低中点电压的偏移量。其他三个开关状态以此类推。其中的作用时间 增加量可通过对中点电压偏移量进行PI调节得出。
[0159] 3)三电平三相全桥方波电源中点电压平衡
[0160] 三相全桥的三电平中点电压平衡调节与经典三电平的SPWM或SVPWM的中点电压调 节一致，不赘述。
[0161] 可见，采用本发明实施例提供的方波调制方案，可以使得输出电压频率等于载波 频率，且可以提升直流母线利用率。
[0162] 另外本发明实施例采用三电平单相Η桥方波调制，通过电压叠加或电压移相，可有 效抑制开关器件在开关过程中的du/dt;且对于三电平三相全桥的方波调制，通过控制占空 比对应角度，可同样有效抑制开关过程中的du/dt;
[0163] 本发明实施例采用I型三电平拓扑进行方波调制示例说明，但应当理解并不限于I 型三电平拓扑，可扩展至T型等其他三电平拓扑结构，通用性好。
[0164] 本发明实施例采用三电平拓扑进行方波调制示例说明，但应当理解并不限于三电 平拓扑，可扩展至五电平、七电平等更多电平的拓扑结构；
[0165] 本发明实施例中示例的开关管采用IGBT作为功率开关器件，但应当理解的是并不 限于IGBT，可使用M0SFET、IGCT等更大开关频率的器件。
[0166] 综上，本发明实施例利用三电平拓扑进行方波电压调制，解决传统SPWM和SVM调制 带来的输出频率不够高的问题。可有效提高输出电压频率，可应用于高中低压场合。同时方 波调制对直流母线的利用率较高，可保证更宽的输出电压幅值和频率，同时相对于两电平 拓扑，在开关过程中有更低的du/dt。
[0167]以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明 的保护范围。
【主权项】
1. 一种三电平电源的控制方法，其特征在于，所述三电平电源包括至少一个桥电源单 元;所述方法包括： 针对每一所述桥电源单元，根据所述桥电源单元预设输出电压的频率和幅值分别设置 调制方波的频率和幅值； 根据所述调制方波的频率设置三角载波的频率； 产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制，得到所述桥电源单元内各开关管 的驱动信号； 根据所述驱动信号控制所述桥电源单元内的各开关管，得到所述桥电源单元的输出电 压。2. 如权利要求1所述的三电平电源的控制方法，其特征在于，根据所述桥电源单元预设 输出电压的频率设置所述调制方波的频率包括： 将所述调制方波的频率设置为与所述桥电源单元预设输出电压的频率相等。3. 如权利要求2所述的三电平电源的控制方法，其特征在于，根据所述调制方波的频率 设置三角载波的频率包括： 当所述桥电源单元预设输出电压的频率大于预设高频阈值时，将所述三角载波的频率 设置为与所述调制方波的频率相等。4. 如权利要求1-3任一项所述的三电平电源的控制方法，其特征在于，所述三电平电源 为三电平单相半桥电源、三电平单相H桥电源或三电平三相全桥电源。5. 如权利要求4所述的三电平电源的控制方法，其特征在于，所述三电平电源为三电平 单相H桥电源时，所述三电平单相H桥电源的两个桥电源单元预设输出电压的占空比不相 等，或所述两个桥电源单元预设输出电压的占空比相等、三角载波的相位相差预设角度&。6. 如权利要求5所述的三电平电源的控制方法，其特征在于，所述两个桥电源单元的占 空比相等、三角载波的相位相差预设角度〇_时，针对各桥电源单元输出所述三角载波和调 制方波进行调制包括： 同时输出所述三角载波和所述调制方波； 在二角载波的每个最低点和最尚点更新所述调制方波的极性； 根据所述三角载波和所述调制方波的交点对应生成所述各开关管的驱动信号。7. -种三电平电源的控制装置，其特征在于，所述三电平电源包括至少一个桥电源单 元;所述控制装置包括控制器和信号处理器； 所述信号处理器用于针对每一所述桥电源单元，根据该桥电源单元预设输出电压的频 率和幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根据所述调制方波的频率设置三角载波的频 率，以及用于产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制，输出所述桥电源单元内 各开关管的驱动信号； 所述控制器用于将所述驱动信号输入所述桥电源单元，控制所述桥电源单元内的各开 关管得到所述桥电源单元的输出电压。8. 如权利要求7所述的三电平电源的控制装置，其特征在于，所述信号处理器用于在所 述桥电源单元预设输出电压的频率大于预设高频阈值时，将所述调制方波的频率设置为与 所述桥电源单元预设输出电压的频率相等。9. 如权利要求8所述的三电平电源的控制装置，其特征在于，所述信号处理器用于将所 述三角载波的频率设置为与所述调制方波的频率相等。10. 如权利要求7-9任一项所述的三电平电源的控制装置，其特征在于，所述信号处理 器还用于在所述三电平电源为三电平单相H桥电源，且所述三电平单相H桥电源的两个桥电 源单元预设输出电压的占空比相等时，将所述两个桥电源单元的两个三角载波的相位设置 为相差预设角度心。11. 一种三电平电源系统，其特征在于，包括三电平电源和如权利要求7-10任一项所述 的控制装置;所述三电平电源包括至少一个桥电源单元;所述控制装置与所述三电平电源 连接； 所述控制装置用于针对每一所述桥电源单元，根据该桥电源单元预设输出电压的频率 和幅值分别设置调制方波的频率和幅值，并根据所述调制方波的频率设置三角载波的频 率，然后产生并输出所述三角载波和所述调制方波进行调制得到对所述桥电源单元内各开 关管的驱动信号；以及用于根据所述驱动信号控制所述各开关管，得到所述桥电源单元的 输出电压。
【文档编号】H02M7/5387GK106026730SQ201610497180
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】陈杰, 凡念, 桂峰, 李忠锋, 徐铁柱
【申请人】苏州英威腾电力电子有限公司