十开关三相三电平逆变器及其控制方法与流程

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种十开关三相三电平逆变器及其控制方法。

背景技术：

相关技术中二极管钳位型三电平逆变器通常采用图1所示的二极管钳位型三电平拓扑(黑色圆点表示连接)。参见图1，每个桥臂采用独立的三电平单元，因此整体需要多达12个有源开关器件和6个无源钳位二极管，从而使得系统总体成本相对较高。在高压大功率场合，有源器件成本占系统总体成本比例更高，该劣势更为突出。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种十开关三相三电平逆变器及其控制方法，用于解决相关技术中存在的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种十开关三相三电平逆变器，输入侧连接一个直流电源，所述直流电源包括一个电压中位点，包括：a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂、有源钳位电路、第一开关器件和第四开关器件；

所述a相桥臂的第一端、所述b相桥臂的第一端和所述c相桥臂的第一端分别经由所述第一开关器件与所述直流电源的正极连接；所述a相桥臂的第二端、所述b相桥臂的第二端和所述c相桥臂的第二端分别经由所述第四开关器件与所述直流电源的负极连接；所述a相桥臂的第三端、所述b相桥臂的第三端和所述c相桥臂的第三端作为输出端输出三相电压；

所述有源钳位电路的第一端经由所述第一开关器件与所述直流电源的正极连接；所述有源钳位电路的第二端经由所述第四开关器件与所述直流电源的负极连接；所述有源钳位电路的第三端作为输出端与所述直流电源的电压中位点连接。

可选地，还包括：第一直流分压电容和第二直流分压电容；

所述第一直流分压电容和所述第二直流分压电容串联后再并联在直流电源两端，且所述第一直流分压电容和所述第二直流分压电容的串联连接点为所述直流电源的电压中位点。

可选地，所述a相桥臂、所述b相桥臂、所述c相桥臂和有源钳位电路分别采用2个开关器件构成。

可选地，所述a相桥臂包括第二开关器件和第三开关器件；

所述第二开关器件的第一端与所述a相桥臂的第一端连接，所述第二开关器件的第二端与所述第三开关器件的第一端均连接于所述a相桥臂的第三端，所述第三开关器件第二端与所述a相桥臂的第二端连接；

所述第二开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第二开关器件；

所述第三开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第三开关器件。

可选地，所述b相桥臂包括第五开关器件和第六开关器件；

所述第五开关器件的第一端与所述b相桥臂的第一端连接，所述第五开关器件的第二端与所述第六开关器件的第一端均连接于所述b相桥臂的第三端，所述第六开关器件第二端与所述b相桥臂的第二端连接；

所述第五开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第五开关器件；

所述第六开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第六开关器件。

可选地，所述c相桥臂包括第七开关器件和第八开关器件；

所述第七开关器件的第一端与所述c相桥臂的第一端连接，所述第七开关器件的第二端与所述第八开关器件的第一端均连接于所述c相桥臂的第三端，所述第八开关器件第二端与所述c相桥臂的第二端连接；

所述第七开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第七开关器件；

所述第八开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第八开关器件。

可选地，所述有源钳位电路包括第九开关器件和第十开关器件；

所述第九开关器件的第一端与所述有源钳位电路的第一端连接，所述第九开关器件的第二端与所述第十开关器件的第一端均连接于所述有源钳位电路的第三端，所述第十开关器件第二端与所述有源钳位电路的第二端连接；

所述第九开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第九开关器件；

所述第十开关器件的第三端作为控制端接收外部的控制信号，用于导通或者断开所述第十开关器件。

第二方面，本发明实施例提供了一种十开关三相三电平逆变器svpwm调制策略，包括：

获取参考矢量在预设六个大扇区中的目标大扇区；每个所述大扇区预设两个小扇区；

获取所述参考矢量在所述目标大扇区中的目标小扇区；

根据伏秒平衡的原理，基于所述目标小扇区获取合成所述参考矢量的各基准矢量的作用时间；所述基准矢量指在所述目标小扇区内与所述参考矢量相邻的三个或四个矢量；

根据所述参考矢量在所述目标大扇区中的目标小扇区选择相应的矢量作用次序，并根据所选择的矢量作用次序将基准矢量的作用时间对应分配至矢量作用次序对应的各个矢量中，据此对所述十开关三相三电平逆变器进行控制，以获得三相三电平。

可选地，所述获取所述参考矢量在所述目标大扇区中的目标小扇区包括：

获取所述参考矢量在α轴和β轴的分量vα、vβ；

计算

若则确定所述参考矢量位于所述目标大扇区中的a扇区；若则确定所述参考矢量位于所述目标大扇区中的b扇区；

其中，a扇区是指靠近α轴和β轴所在坐标系的原点的小扇区，b扇区是指远离α轴和β轴所在坐标系的原点的小扇区。

可选地，根据所述各基准矢量的作用时间选择相应的矢量及其次序采用以下原则：

(1)保证在一个开关周期内，所述十开关三相三电平逆变器中各开关器件最多只导通一次；

(2)所选取的小矢量可以实现对分压电容电压进行开关频率级的调节。

第三方面，本发明实施例提供了一种十开关三相三电平逆变器注入共模分量的spwm调制策略，包括：

在每个时刻对三相对称调制波同时注入共模分量，避免同时出现三个电平。

由上述技术方案可知，本发明可以减少有源开关器件和无源器件的数量，减小逆变器的体积和降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为相关技术中一种十开关三相三电平逆变器拓扑结构示意图。

图2为本发明一实施例提供的一种十开关三相三电平逆变器的框图。

图3为本发明一实施例提供的一种十开关三相三电平逆变器的电路图。

图4为本发明一实施例提供的逆变器在零矢量000工作模态下的等效电路示意图。

图5为本发明一实施例提供的逆变器在小矢量100工作模态下的等效电路示意图。

图6为本发明一实施例提供的逆变器在小矢量211工作模态下的等效电路示意图。

图7为本发明一实施例提供的逆变器在大矢量200工作模态下的等效电路示意图。

图8为本发明一实施例提供的空间矢量图。

图9为本发明一实施例提供svpwm调制流程图。

图10为本发明一实施例提供的注入共模分量的spwm波形。

图11为本发明一实施例提供的计算共模分量的模型结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

需要说明的是，本实施例中为保证各开关器件的正常工作，需要在各开关器件上并联一个续流二极管，续流二极管的并联方向与开关器件的类型相关，技术人员可以根据开关器件的类型进行设置，在此不作限定。若未说明，则开关器件默认包含一个续流二极管，特别情况下本实施例会指出。另外，“第一”“第二”仅用于区别于各器件，而不限定各器件的顺序。

相关技术中二极管钳位型三电平逆变器通常采用图1所示的二极管钳位型三电平拓扑(黑色圆点表示连接)。参见图1，每个桥臂采用独立的三电平单元，因此整体需要多达12个有源开关器件和6个无源钳位二极管，从而使得系统总体成本相对较高。在高压大功率场合，有源器件成本占系统总体成本比例更高，该劣势更为突出。

针对相关技术存在的问题，本发明实施例提供了一种十开关三相三电平逆变器，其发明构思在于，利用十个开关构建该钳位型三相三电平逆变器，从而节省开关器件，利于降低逆变器的体积和成本。同时，还提供了一种用于上述十开关三相三电平逆变器svpwm调制策略，以保证逆变器正常工作。此外，还提供了一种基于注入共模电压的spwm调制策略，同样保证了该逆变器的正常工作。

图2为本发明一实施例提供的十开关三相三电平逆变器的电路示意图，参见图2，一种十开关三相三电平逆变器，输入侧连接一个直流电源，该直流电源包括一个电压中位点。在一示例中，包括：第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2；第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2串联后再并联在直流电源两端，且第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2均分直流电源的电压，即第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2串联时的连接点充当直流电源的电压中位点。该逆变器还包括：a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂、有源钳位电路、第一开关器件t1和第四开关器件t4。其中，

第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2串联后再并联在直流电源两端，且第一直流分压电容c1和第二直流分压电容c2均分直流电源的电压；

a相桥臂的第一端、b相桥臂的第一端和c相桥臂的第一端分别经由第一开关器件t1与直流电源的正极连接；a相桥臂的第二端、b相桥臂的第二端和c相桥臂的第二端分别经由第四开关器件t4与直流电源的负极连接；a相桥臂的第三端、b相桥臂的第三端和c相桥臂的第三端作为输出端输出三相电压；

有源钳位电路的第一端经由第一开关器件t1与直流电源的正极连接；有源钳位电路的第二端经由第四开关器件t4与直流电源的负极连接；有源钳位电路的第三端作为输出端与直流电源的电压中位点连接。

考虑到本实施例中十开关三相三电平逆变器采用十开关器件构建，因此，在一实施例中，a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂和有源钳位电路分别采用2个开关器件构成。

图3为本发明一实施例提供的十开关三相三电平逆变器的电路示意图，参见图3，a相桥臂包括第二开关器件t2和第三开关器件t3；

第二开关器件t2的第一端与a相桥臂的第一端(虚线框的上端)连接，第二开关器件t2的第二端与第三开关器件t3的第一端均连接于a相桥臂的第三端(虚线框的右端)，第三开关器件t3第二端与a相桥臂的第二端(虚线框的下端)连接；

第二开关器件t2的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第二开关器件t2；

第三开关器件t3的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第三开关器件t3。

继续参见图3，b相桥臂包括第五开关器件t5和第六开关器件t6。第五开关器件t5的第一端与b相桥臂的第一端(虚线框的上端)连接，第五开关器件t5的第二端与第六开关器件t6的第一端均连接于b相桥臂的第三端(虚线框的右端)，第六开关器件t6第二端与b相桥臂的第二端(虚线框的下端)连接；

第五开关器件t5的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第五开关器件t5；

第六开关器件t6的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第六开关器件。

继续参见图3，c相桥臂包括第七开关器件t7和第八开关器件t8；

第七开关器件t7的第一端与c相桥臂的第一端(虚线框的上端)连接，第七开关器件t7的第二端与第八开关器件t8的第一端均连接于c相桥臂的第三端(虚线框的右端)，第八开关器件t8第二端与c相桥臂的第二端连接(虚线框的下端)；

第七开关器件t7的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第七开关器件t7；

第八开关器件t8的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第八开关器件t8。

继续参见图3，有源钳位电路包括第九开关器件t9和第十开关器件t10。

第九开关器件t9的第一端与有源钳位电路(虚线框的上端)的第一端连接，第九开关器件t9的第二端与第十开关器件t10的第一端均连接于有源钳位电路的第三端(虚线框的左端)，第十开关器件t10第二端与有源钳位电路的第二端(虚线框的下端)连接；

第九开关器件t9的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第九开关器件t9；

第十开关器件t10的第三端作为控制端，用于接收外部的控制信号导通或者断开第十开关器件t10。

可见，本实施例中十开关三相三电平逆变器拓扑结构由两个直流分压电容c1和c2以及十个有源功率开关器件t1～t10构成。vdc为直流电源，两个电容c1和c2均分vdc(c1＝c2)，ia、ib、ic分别为三相输出电流。

本实施例中，以两个电容c1和c2的串联连接点o，即直流电源电压中位点作为参考点，三相输出电流(ia、ib、ic)以流出桥臂为正，那么每相桥臂均可以分别输出三个电平vdc/2，0和-vdc/2。但是，由于三相桥臂共用开关器件t1、t4、t9和t10，即三相电平存在一定的耦合关系，将导致a、b、c三相桥臂不能同时输出vdc/2，0和-vdc/2这三个电平。例如，t1、t2、t4和t6导通时，a相输出vdc/2电平，b相输出-vdc/2电平，此时无论t7和t8中任意一个开关管导通，c相桥臂均无电流流过，即c相均不能实现零电平的输出。从三相系统空间矢量的角度来说，该拓扑可以实现全部零矢量、小矢量和大矢量的输出，而不能实现中矢量的输出。其中，在三相三电平逆变器中，零矢量是指矢量的模长为0，共有1个零矢量；小矢量是指矢量的模长为vdc/3，共有6个小矢量(每个小矢量包含两种开关状态)；中矢量是指矢量的模长为共有6个中矢量；大矢量是指矢量的模长为2vdc/3，共有6个大矢量。

考虑到传统三相三电平逆变器共有27个工作模态，对应19个电压矢量，即1个零矢量、6个小矢量、6个中矢量、6个大矢量，本发明实施例中提供的一种十开关三相三电平逆变器不能输出中矢量，因此去掉传统拓扑中的6个中矢量对应的工作模态后，一共剩下21种工作模态，对应13个电压矢量，即1个零矢量、6个小矢量和6个大矢量。在模态分析时，为了方便表达，将三个电平vdc/2，0和-vdc/2分别用2，1，0表示。各个模态的器件开关情况如表1所示，其中零矢量111a～111i视为一个模态111，数字0表示对应开关器件断开，数字1表示对应开关器件导通。

表1十开关三相三电平逆变器工作模态表

下面结合表1所示的三类工作模态为例说明来描述图3所示十开关三相三电平逆变器的工作过程：

图4为本发明一实施例提供的逆变器在零矢量000工作模态下的等效电路示意图。参见图4，在零矢量工作模态下，第一开关器件t1、第二开关器件t2、第五开关器件t5、第七开关器件t7和第十开关器件t10断开，第三开关器件t3、第四开关器件t4、第六开关器件t6、第八开关器件t8和第九开关器件t9导通，此模态下逆变器的a相输出0电平(即电压-vdc/2)，逆变器b相输出0电平(即电压-vdc/2)，逆变器c相输出0电平(即电压-vdc/2)。

图5为本发明一实施例提供的逆变器在小矢量100工作模态下的等效电路示意图。参见图5，在小矢量100工作模态下，第一开关器件t1、第三开关器件t3、第五开关器件t5、第七开关器件t7和第十开关器件t10断开，第二开关器件t2、第四开关器件t4、第六开关器件t6、第八开关器件t8和第九开关器件t9导通，此模态下逆变器a相输出1电平(即电压0)，逆变器b相输出0电平(即电压-vdc/2)，逆变器c相输出0电平(即电压-vdc/2)

图6为本发明一实施例提供的逆变器在小矢量211工作模态下的等效电路示意图。参见图6，在小矢量211工作模态下，第三开关器件t3、第四开关器件t4、第五开关器件t5、第七开关器件t7和第九开关器件t9断开，第一开关器件t1、第二开关器件t2、第六开关器件t6、第八开关器件t8和第十开关器件t10导通，此模态下逆变器a相输出2电平(即电压+vdc/2)，逆变器b相输出1电平(即电压0)，逆变器c相输出1电平(即电压0)

其中图6的工作模态对应的小矢量211是图5的工作模态对应的小矢量100的冗余矢量，因此用图5和图6分别说明小矢量的工作模态。

图7为本发明一实施例提供的逆变器在大矢量200工作模态下的等效电路示意图。参见图7，在小矢量200工作模态下，第三开关器件t3、第五开关器件t5、第七开关器件t7、第九开关器件t9和第十开关器件t10断开，第十开关器件t1、第二开关器件t2、第四开关器件t4、第六开关器件t6和第八开关器件t8导通，此模态下逆变器a相输出2电平(即电压+vdc/2)，逆变器b相输出0电平(即电压-vdc/2)，逆变器c相输出0电平(即电压-vdc/2)。

基于上述模态表，本发明提供了一种适于上述十开关三相三电平逆变器的svpwm调制策略，其输出电压矢量如图8所示，与传统三相三电平逆变器输出矢量的不同之处在于该拓扑仅存在零矢量、小矢量和大矢量而不存在中矢量。

本发明中，svpwm调制策略，其调制流程如图9所示，包含以下主要步骤：

(1)将图8所示的空间矢量图划分为六个大扇区(扇区i～vi)，每个大扇区占据60度角。为了尽可能地降低谐波畸变，参考矢量由距离其最近的三个矢量或四个矢量合成，因此每个大扇区又可分为两个小扇区a和b。

大小扇区的判断原理相似，而大扇区的判断与传统svpwm大扇区判断一致，在此不再赘述大扇区的判断。小扇区判断以第i扇区为例，vα、vβ分别是参考矢量vref的α轴和β轴分量，判断如下：

①当时，参考矢量vref落在a扇区；

②当时，参考矢量vref落在b扇区。

其中，a扇区是指靠近α轴和β轴所在坐标系的原点的小扇区，b扇区是指远离α轴和β轴所在坐标系的原点的小扇区。

需要说明的是，参考矢量在其他大扇区中各小扇区的判断方式同上，在此不再赘述。

(2)采用7段式生成svpwm波形，在选取矢量作用次序时考虑以下原则：

①保证在一个开关周期内，各开关管最多只导通一次；

②通过小矢量的合理选取实现对分压电容电压进行开关频率级的调节，指对分压电容进行开关频率级的充电、放电，使分压电容电压稳定，从而使系统能够稳定工作并保证输出波形质量。以第i大扇区为例，在小扇区a内，通过选取矢量110、100和211三个矢量对分压电容电压进行开关频率级的调节；在小扇区b内通过选取100、110、221和211四个矢量对电容电压进行平衡。

根据上述原则，最终选择的7段式矢量作用顺序如表2所示。

表2十开关三相三电平逆变器七段式svpwm矢量作用次序表

可见，通过结合表2选取的矢量作用顺序表与图8的对应关系看出来是满调制的。因为传统二极管钳位型三相三电平逆变器的运行范围是在六边形的内切圆以内，而本发明提出的逆变器拓扑在表2的矢量状态次序下也可以在图8所示六边形的内切圆以内运行，因而其调制度与传统的二极管钳位型三相三电平逆变器采用svpwm调制的调制度相同，达到满调制的效果。

考虑到上述十开关三相三电平逆变器不能同时输出三个电平，本发明还提出对应的spwm调制策略，参见图10，在每个时刻对三相对称调制波ua、ub和uc同时注入共模分量，其中共模分量的大小由图11所示模型实现。图11各部分功能为：ua、ub和uc产生三相对称调制波；min模块取其左侧输入的ua、ub、uc中的最小值并输出；max模块取其左侧输入的ua、ub、uc中的最大值并输出；-1或模块对其左侧输入乘以模块内值-1或后输出；六个++模块都是对其输入进行求和后输出；模块左侧的判断模块对其左侧第二个输入端输入的值进行判断，若该值大于0，输出取左侧第一输入端的值，否则输出取第三个输入端的值。以三相调制波ua>0>ub>uc时为例，参见图11，需同时向三相对称调制波中注入数值大小为-(ua+ub)/2的共模分量，得到图10中的三相对称调制波，此时调制波ua^*和ub^*在同一时刻进行开关动作，从而可以避免三种电平同时出现。

可见，本发明实施例中，上述十开关三相三电平逆变器采用了十开关实现，可以实现与传统三相三电平拓扑结构一致的输出电压、电流波形质量，同时可以减少两个有源开关器件和六个无源器件，可以显著地减小系统体积和降低成本。另外，本发明提供的调制策略不仅可以保证其直流电压的利用率而且具有通用性，适用于无中矢量的耦合型三相三电平逆变器拓扑结构。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。