功率变换器及其控制方法与流程

本技术涉及电力电子，尤其涉及一种功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、脉冲宽度调制(pulse width modulation,pwm)可以通过将载波与调制波进行比较，根据比较结果生成控制信号来控制开关器件通断，得到宽度正比于调制波幅值的脉冲序列，从而获得需要的信号波。该pwm方式可以通过自然采样法和规则采样法实现。规则采样法利用载波的特定点(如峰值点或过零点等)所对应的调制波幅值代替载波与调制波自然交点对应的调制波幅值来确定脉冲宽度，获得需要的波形。

2、当载波为三角波(或锯齿波)，调制波为正弦波时，将三角波和正弦波进行比较可以实现正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,spwm)。在采用基于载波垂直分布的spwm调制策略时，调制波的幅值实际上是离散的，可以在载波的特定点对应的时刻加载调制波，基于载波和调制波的比较结果控制开关器件通断获得spwm波。但在实际应用中，电网电压频率变化可能导致调制波与载波的对应偏差，进而使多电平变换器的输出电平跳变，导致开关管应力过大，容易损坏。

技术实现思路

1、本技术提供了一种功率变换器及其控制方法，可降低功率变换器中开关管的应力。

2、第一方面，本技术提供了一种功率变换器，该功率变换器包括功率变换电路、输出电感和控制器，功率变换电路包括一个功率桥臂，功率桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，每一半桥臂都包括至少两个开关管，功率桥臂的输出端连接输出电感；该控制器可用于生成载波与调制波，并根据载波与调制波生成控制上下两个半桥臂开关管的控制信号；这里，该功率变换器可包括各种三电平拓扑、五电平拓扑的变换器。该调制波可以包括正弦波，该载波可包括三角波。

3、上述控制器还可用于在载波处于过零点区域时，控制上半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且下半桥臂的开关管保持不动作，上半桥臂的开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；或者，控制下半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且上半桥臂开关管保持不动作，下半桥臂开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；其中，过零点区域包括载波的幅值小于或等于交叉值的区间，交叉值为距离载波过零点最近的载波与调制波交点的幅值。这里，载波/调制波的幅值可表示载波/调制波中任一点与坐标轴原点之间的纵向距离。

4、这样，当载波处于过零点区域时上下两半桥臂开关管中上半桥臂开关管或下半桥臂开关管在该期间进行动作，另一半开关管不动作，这样，可以避免上下两半桥臂开关管均在过零点区域动作导致功率变换器的输出电平发生较大的电平跳变(如三电平变换器的输出电平从正电平直接跳变至负电平或从负电平直接跳变至正电平)，从而可使得功率变换器中开关管应力降低。

5、在一种可行的实现方式中，控制器还可用于在载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，控制上半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且下半桥臂的开关管保持不动作，上半桥臂的开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；或者，控制下半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且上半桥臂开关管保持不动作，下半桥臂开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；其中，过零点区域包括载波的幅值小于或等于交叉值的区间，交叉值为距离载波过零点最近的载波与调制波交点的幅值，在调制波即将过零切换时调制波的幅值小于设定阈值。这里，设定阈值可基于实际情况确定，该设定阈值小于多个方波中相邻的两个方波的幅值的差值绝对值的最大值，或者，该设定阈值小于或等于多个方波中幅值最小的方波的幅值。当调制波幅值小于该设定阈值时，该调制波即将从正半周期进入负半周期或从负半周期进入正半周期，即将过零切换。

6、这样，载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，控制上下两半桥臂开关管中上半桥臂开关管或下半桥臂开关管在该期间进行动作，另一半开关管不动作，那么该功率变换器的输出电平不会发生大的跳变(例如三电平变换器的输出电平会从零电平变为正电平或从零电平变为正电平)，从而大大降低了开关管的应力，延长了开关管的使用寿命，提高了功率变换器的安全性和可靠性。

7、在一种可行的实现方式中，载波为三角波，调制波为正弦波，正弦波包括离散化的多个方波，多个方波中相邻的两个方波的幅值不同，相邻两个方波的切换时刻为加载时刻；这里，任一个方波是指幅值保持不变的波形。该控制器可用于，响应于调制波的幅值大于载波的幅值，输出高电平控制信号；这里，控制器输出高电平控制信号时，功率变换器中的特定开关管导通，例如三电平anpc拓扑中外管q1或外管q4导通，又例如三电平npc拓扑中外管q1或外管q4导通。

8、控制器还可用于，响应于调制波将在预定的第一加载时刻发生极性切换且载波在第一加载时刻的幅值为零，控制调制波在第一加载时刻不加载，并控制调制波在第二加载时刻加载，其中，第二加载时刻为在第一加载时刻后载波首次到达峰值点的时刻。调制波发生极性切换是指调制波发生过零切换，调制波包括的多个方波中相邻两个方波的切换时刻为加载时刻，该调制波对应多个预定的加载时刻。这样，在情况(1)可实现在调制波过零切换时载波处于峰值点，功率变换器的输出电平在调制波过零切换时发生平滑切换，避免出现较大的电平跳变，从而可降低功率变换器中的开关管应力，降低开关管损坏可能性，提高功率变换器的安全性和可靠性。

9、在一种可行的实现方式中，功率变换电路并联于正直流母线与负直流母线之间，上半桥臂和下半桥臂均包括串联的两个开关管，功率变换电路还包括两个钳位开关管，两个钳位开关管串联后，并联于上半桥臂中两个开关管的串联连接点与下半桥臂中两个开关管的串联连接点之间；在载波处于过零点区域时，上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位开关管的串联连接点之间的电压为正直流母线与负直流母线之间电压的二分之一或者零。此时，该功率变换器可为三电平anpc变换器，当载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，功率变换器的输出电平为正电平或零电平；或者，功率变换器的输出电平为负电平或零电平；功率变换电路中上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位开关管的串联连接点之间的电压为正直流母线和负直流母线之间电压的一半或零。这样，当载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，功率变换器的输出电平不会发生较大的电平跳变，从而可降低功率变换器中的开关管应力。

10、在一种可行的实现方式中，功率变换电路并联于正直流母线与负直流母线之间，上半桥臂和下半桥臂均包括串联的两个开关管，功率变换电路还包括两个钳位二极管，两个钳位二极管串联后，并联于上半桥臂中两个开关管的串联连接点与下半桥臂中两个开关管的串联连接点之间；在载波处于过零点区域时，上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位二极管的串联连接点之间的电压为正直流母线与负直流母线之间电压的二分之一或者零。此时，该功率变换器可为三电平npc变换器，当载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，功率变换器的输出电平为正电平或零电平；或者，功率变换器的输出电平为负电平或零电平；功率变换电路中上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位开关管的串联连接点之间的电压为正直流母线和负直流母线之间电压的一半或零。这样，当载波处于过零点区域且调制波即将过零切换时，功率变换器的输出电平不会发生较大的电平跳变，从而可降低功率变换器中的开关管应力。

11、在一种可行的实现方式中，一个上述载波周期内包括上述调制波的n个加载时刻，上述n为1或大于或等于2的偶数。也即调制波的加载方式可为n倍频加载。在调制波为不同的加载方式时变换器的输出电平均不会在载波处于过零点区域时发送较大的电平跳变，因此调制波过零切换时输出电平可平滑切换，可减小功率变换器中的开关管的电压应力，降低开关管损坏的可能性，提高电路可靠性。

12、第二方面，本技术提供了一种功率变换器，功率变换器包括功率变换电路、输出电感和控制器，功率变换电路包括一个功率桥臂，功率桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，每一半桥臂都包括至少两个开关管，功率桥臂的输出端连接输出电感；控制器用于生成载波与调制波，并根据载波与调制波生成控制上下两个半桥臂开关管的控制信号；控制器还用于在载波处于峰值点区域时，控制上半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且下半桥臂的开关管保持不动作，上半桥臂的开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；或者，控制下半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且上半桥臂开关管保持不动作，下半桥臂开关管在载波进入峰值点区域的时刻进行开关切换；其中，峰值点区域包括载波的幅值大于或等于交叉值的区间，交叉值为距离载波峰值点最近的载波与调制波交点的幅值。

13、在一种可行的实现方式中，控制器还用于在载波处于峰值点区域且调制波即将过零切换时，控制上半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且下半桥臂的开关管保持不动作，上半桥臂的开关管在载波进入过零点区域的时刻进行开关切换；或者，控制下半桥臂的开关管在载波处于过零点区域时保持开关切换状态不变且上半桥臂开关管保持不动作，下半桥臂开关管在载波进入峰值点区域的时刻进行开关切换；其中，峰值点区域包括载波的幅值大于或等于交叉值的区间，交叉值为距离载波峰值点最近的载波与调制波交点的幅值，在调制波即将过零切换时调制波的幅值小于设定阈值。

14、在一种可行的实现方式中，载波为三角波，调制波为正弦波，正弦波包括离散化的多个方波，多个方波中相邻的两个方波的幅值不同，相邻两个方波的切换时刻为加载时刻；

15、控制器用于，响应于调制波的幅值小于载波的幅值，输出高电平控制信号；

16、控制器还用于，响应于调制波将在预定的第一加载时刻发生极性切换且载波在第一加载时刻的幅值为峰值，控制调制波在第一加载时刻不加载，并控制调制波在第二加载时刻加载，其中，第二加载时刻为在第一加载时刻后载波首次到达过零点的时刻。

17、在一种可行的实现方式中，功率变换电路并联于正直流母线与负直流母线之间，上半桥臂和下半桥臂均包括两个串联的开关管，功率变换电路还包括两个钳位开关管，两个钳位开关管串联后，并联于上半桥臂中两个开关管的串联连接点与下半桥臂中两个开关管的串联连接点之间；

18、在载波处于峰值点区域时，上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位开关管的串联连接点之间的电压为正直流母线与负直流母线之间电压的二分之一或者零。

19、在一种可行的实现方式中，功率变换电路并联于正直流母线与负直流母线之间，上半桥臂和下半桥臂均包括串联的两个开关管，功率变换电路还包括两个钳位二极管，两个钳位二极管串联后，并联于上半桥臂中两个开关管的串联连接点与下半桥臂中两个开关管的串联连接点之间；

20、在载波处于峰值点区域时，上半桥臂与下半桥臂的串联连接点与两个钳位二极管的串联连接点之间的电压为正直流母线与负直流母线之间电压的二分之一或者零。

21、在一种可行的实现方式中，在一个载波周期内，调制波包括n个加载时刻，其中，n为1或大于等于2的偶数。

22、这样，在载波处于峰值点区域时功率变换器中的控制器通过控制上半桥臂开关管或下半桥臂开关管在该峰值点区域保持开关切换状态，以及控制其中另一半桥臂开关管保持不动作，可以避免上下两半桥臂开关管均在峰值点区域动作导致功率变换器的输出电平发生较大的电平跳变(如三电平变换器输出电平从正电平直接跳变至负电平或从负电平直接跳变至正电平)，使得调制波过零切换过程中功率变换器的输出电平可平滑切换，从而降低了功率变换器中开关管的应力，提高了电路可靠性。

23、第三方面，本技术提供了一种功率变换器的控制方法，该方法包括：

24、生成载波与调制波，根据载波与调制波生成控制功率变换器中开关管导通或关断的控制信号；

25、响应于调制波将在预定的第一加载时刻发生极性切换且载波在第一加载时刻的幅值为零或峰值，控制调制波在第一加载时刻不加载，以及控制调制波延后至第二加载时刻加载；其中，载波在第二加载时刻的幅值与在第一加载时刻的幅值不同且载波在第二加载时刻的幅值为峰值或零；

26、其中，载波为三角波，调制波为正弦波，正弦波包括多个方波，多个方波中相邻的两个方波的幅值不同，相邻的两个方波的切换时刻为加载时刻。

27、在一种可行的实现方式中，响应于调制波的幅值大于载波的幅值，输出高电平控制信号；

28、响应于载波在第一加载时刻的幅值为零，控制调制波在第一加载时刻不加载，并且，控制调制波在第二加载时刻加载；其中，第二加载时刻为在第一加载时刻后载波首次到达峰值点的时刻。

29、在一种可行的实现方式中，响应于调制波的幅值小于载波的幅值，输出高电平控制信号；

30、响应于载波在第一加载时刻的幅值为峰值，控制调制波在第一加载时刻不加载，并且，控制调制波在第二加载时刻加载；其中，第二加载时刻为在第一加载时刻后载波首次到达过零点的时刻。

31、这样，在调制波将在预定的第一加载时刻发生过零切换且载波在第一加载时刻的幅值为零或峰值时，若仍在第一加载时刻加载调制波功率变换器的输出电平可能发生较大跳变。因此可控制调制波在该第一加载时刻不加载，并控制该调制波延后至第二加载时刻加载，由于载波在第二加载时刻的幅值与载波在第一加载时刻的幅值不同，且载波在第二加载时刻的幅值为峰值或零，可避免调制波过零切换时载波处于会导致功率变换器的输出电平发生较大跳变的特定点，使得调制波过零切换过程中功率变换器的输出电平可平滑切换，从而降低了功率变换器中开关管的应力，提高了电路可靠性。