錢月娥，沙友濤，戴 亮，施楊華，王 真

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

三電平結構的電機驅動器具有輸出電壓諧波含量少、輸出電壓等級高、輸出濾波器尺寸小以及開關管承受的電壓應力低等優(yōu)點，近年來越來越多地應用在中高壓電機驅動、調速以及交流調壓等領域，并逐漸成為研究的熱點課題［1-4］。

直流母線電容的均壓問題一直是三電平結構控制器應用的一個重要問題所在。直流母線電壓的中點電位偏移會對三電平電路造成多種影響:(1)中點電位偏移會影響輸出電壓的對稱性，增加輸出電壓的諧波含量，降低輸出效率，影響輸出性能;(2)中點電位偏移還會使功率器件承受的電壓應力不均衡，提高了主開關管的耐壓要求;(3)中點電位偏移還會造成直流側電容耐壓不均勻，降低電容的使用壽命，使三電平驅動器的各項優(yōu)點向兩電平靠攏甚至退后等。因此，對于三電平控制器研究中的一個重要任務就是中點電位的平衡控制。

目前抑制中點電位偏移的方法主要有硬件和軟件兩大類。硬件方面的方法主要是添加中點電壓調節(jié)器或添加DC/DC 變換器等，對中點電位進行調節(jié)。這類方法會增加大量元器件，使驅動器的成本增加，可靠性下降。軟件方面主要有冗余小矢量調節(jié)［5］、零序分量和低頻分量注入［6-9］、死區(qū)時間補償［10］等方法。其中冗余小矢量調節(jié)法是基于SV -PWM 的控制方法;零序分量和低頻分量注入法是針對三相三電平電路的控制方法。

本文對單相三電平SPWM 調制方式進行了詳細研究，將三相三電平SVPWM 調制方式中的冗余開關狀態(tài)方法融入到SPWM 調制方式中，給出一種新型的適用于SPWM 調制方式的單相三電平電機驅動器中點平衡控制方法。本算法屬于軟件方法，不會增加硬件成本;并且本算法基于SPWM 調制方法，算法簡單，實用性強，也不會過多增加軟件開銷。本算法適用于各種單相三電平逆變器產(chǎn)品和級聯(lián)高壓變頻器產(chǎn)品，在不改變原電路輸出電壓及輸出電流的情況下，可以有效地將直流母線中點電位偏移控制在合適的范圍內，增加了驅動器的穩(wěn)定性。。

1 單相三電平驅動器電路結構及其開關狀態(tài)

單相二極管嵌位型三電平驅動器拓撲結構如圖1 所示。

圖1 單相三電平驅動器電路結構

圖1 中，M 表示負載電機，UPN表示總的直流母線電壓，UON表示直流側中點電壓，Io表示中點電流，Iout表示負載電流，電流正方向如圖1 中所示。圖1中直流側的中點電壓UON可以通過硬件電阻分壓的方式進行檢測;負載電流Iout需要通過電流霍爾檢測，以確定電流方向。這些檢測回路在普通逆變器和變頻器產(chǎn)品中都已存在，無需額外添加。

根據(jù)SPWM 調制方式的調制原理，單相三電平驅動器的每個橋臂有三種有效狀態(tài)，用三態(tài)開關Sx(x=L，R;L 表示左橋臂，R 表示右橋臂)表示。Sx=P 表示開關器件1、2 開通，3、4 關斷;Sx=O 表示開關器件2、3 開通，1、4 關斷;Sx=N 表示開關器件3、4 開通，1、2 關斷。左右橋臂組合，共有九種有效開關狀態(tài)。設正常情況下直流母線電壓UPN=2E，則各對應有效開關狀態(tài)下，單相三電平控制器的輸出電壓和中點電流方向如表1 所示。

表1 各有效開關狀態(tài)下輸出電壓和中點電流方向

從表1 可以看出，9 種不同的有效開關狀態(tài)共對應了五種輸出電壓E，2E，0，-E，-2E，其中僅僅輸出電壓為2E 及-2E 時的開關狀態(tài)是唯一不重復的，輸出電壓為E，-E 和0 時的開關狀態(tài)分別有多種，也就是有冗余，在不影響輸出電壓的情況下，冗余狀態(tài)可以互相替換。從表1 中還可以看出，開關狀態(tài)分別為P 和N，N 和P，P 和P，O 和O，N 和N時，中點電流才為零，這時的中性點電位變化不會受負載電流影響;開關狀態(tài)為P 和O，O 和N，O 和P，N 和O 時，會有中點電流注入或流出直流側中點處，從而影響中點電位，在此將上述四種開關狀態(tài)稱為中間開關狀態(tài)。本方法正是利用上述中間開關狀態(tài)，對三電平驅動器的中點電位進行控制。中點電流方向與負載電流方向有關，圖2 為負載電流為正時，Sx= PO，ON，OP，NO 四種開關狀態(tài)下三電平驅動器的簡化電路。

圖2 四種開關狀態(tài)下三電平驅動器的簡化電路

從圖2 中可以看出，Iout為正時，PO 和NO 狀態(tài)會對直流側中點注入電流，從而提高中點電位;OP和ON 狀態(tài)會從直流側中點流出電流，從而降低中點電位。Iout為負時則相反，PO 和NO 狀態(tài)會降低中點電位，OP 和ON 狀態(tài)會提高中點電位。本中點平衡控制算法就是根據(jù)當前中點電位狀態(tài)和負載電流方向，選擇合適的中間開關狀態(tài)互相替換，對SPWM的調制結果進行修正，從而對直流側中點電位進行調節(jié)。

2 基于SPWM 調制方式的單相三電平驅動器中點平衡控制算法

本中點平衡控制算法適用于SPWM 調制方式，由于單相三電平驅動器有多種SPWM 調制方法，具體的控制方案需要根據(jù)具體的調制方法來確定。下面以雙載波層疊SPWM 調制方式為例進行說明。

圖3 即為雙載波層疊SPWM 調制方式原理圖。該調制方式有兩個調制波和兩個載波，左右調制波分別控制左橋臂和右橋臂，兩個調制波大小相等，相位相差180°(正負相反);上下載波分別控制每個橋臂的1、3 和2、4 開關器件，兩個調制波大小相等，上下平移得到。由于開關器件1、3 的開關狀態(tài)互補，2、4 的開關狀態(tài)互補，所以僅需控制VL1，VL2，VR1，VR2 四個開關器件即可。

圖3 雙載波層疊SPWM 調制原理及其調制信號

如圖3 所示，根據(jù)雙載波層疊SPWM 調制方式的工作原理，在一個調制周期的前半周期，只有OO，ON，PO，PN 四種開關狀態(tài)。其中ON 和PO 是可調節(jié)中點電位的中間開關狀態(tài)，且在前半周期會交替出現(xiàn);同理，調制波后半周期的四個開關狀態(tài)為OO，OP，NO 和NP，其中OP 和NO 是可調節(jié)中點電位的中間開關狀態(tài)，且在后半周期會交替出現(xiàn)。所以在調制波前半周期中可以通過ON 和PO 狀態(tài)互換來調節(jié)中點電壓;在調制波后半周期可以通過OP和NO 狀態(tài)互換來調節(jié)中點電壓。

下面給出基于SPWM 調制方式的單相三電平驅動器中點平衡控制算法的具體步驟:

(1)中點電位平衡控制使能判斷:中點電壓與1/2 直流母線電壓進行比較，采用滯環(huán)比較方式，若中點電壓超出逆變器允許的波動范圍，則給出中點電位平衡控制使能信號;若中點電壓回到穩(wěn)定范圍，則取消中點電位平衡控制使能信號;

(2)對三電平電路進行正常的SPWM 調制，得到各橋臂開關狀態(tài)。若中點電位平衡控制使能，則根據(jù)中點電位和負載電流方向，選擇合適中間開關狀態(tài)，對SPWM 調制結果進行修正;

(3)若需要提高直流母線中點電壓且負載電流方向為正，則用PO 狀態(tài)替代ON 狀態(tài)，用NO 狀態(tài)替代OP 狀態(tài);

(4)若需要提高直流母線中點電壓且負載電流方向為負，則用ON 狀態(tài)替代PO 狀態(tài)，用OP 狀態(tài)替代NO 狀態(tài);

(5)若需要降低直流母線中點電壓且負載電流方向為正，則用ON 狀態(tài)替代PO 狀態(tài)，用OP 狀態(tài)替代NO 狀態(tài);

(6)若需要降低直流母線中點電壓且負載電流方向為負，用PO 狀態(tài)替代ON 狀態(tài)，用NO 狀態(tài)替代OP 狀態(tài)。

3 控制算法仿真驗證

本文使用Simulink 軟件對上述控制算法進行仿真，主電路結構如圖1 所示。取直流側電容C1=18 mF 且C2=18 mF，負載電感取39 mH，負載電阻取1.765 Ω，開關頻率為1 kHz，基波頻率為50 Hz;直流母線電壓UPN=1 600 V(直流)。

采用直流側電容參數(shù)不一致的方式使中點電位發(fā)生偏移，取電容偏差值為10%，C1=18 mF，C2=16.2 mF。分別用常規(guī)SPWM 控制方式和加入中點電位平衡控制算法的控制方式進行仿真，仿真結果如圖4 ～圖9 所示。

圖4 常規(guī)SPWM 控制方式中點電位差

圖5 加入中點平衡控制算法后中點電位差

圖6 常規(guī)SPWM 控制方式輸出電壓

圖7 加入中點平衡控制算法后的輸出電壓

圖8 常規(guī)SPWM 控制方式輸出電流

圖9 加入中點平衡控制算法后的輸出電流

圖4、圖5 是中點電位與直流母線電壓的一半(0.5UPN)相減后得到的曲線。可以看出，直流側電容偏差10%后，中點電位偏移了42 V;加入中點平衡控制算法后，兩個調制波周期內，中點電位偏差被抑制到0 V 左右，并在后期保持穩(wěn)定。

圖6、圖7 是兩次仿真輸出電壓曲線，圖8、圖9是兩次仿真輸出的電流曲線。顯而易見，加入了中點平衡控制算法后，輸出電壓及輸出電流并沒有影響。

在實際應用中，市場上普通的電容精度一般為±10%，當2 個電容的值不完全相等時，便會像圖4、圖5 那樣使電路的中點電壓偏移，從而影響電路的性能。若每次都用萬用表量取2 個容量完全相等的電容，既浪費時間，而且很可能測量到最后都無法找出2 個完全等值的電容。若用高精度的等值電容，既增加了硬件電路的成本，也有可能無法達到預期的效果。

采用加入中點平衡的控制算法，不僅能及時抑制中點電位偏差，以彌補硬件上的不足，還能不影響電路的輸出電壓及電流，從而使得驅動器的性能更加穩(wěn)定。

4 結 語

本文提出一種基于SPWM 調制方式的針對單相三電平電機驅動器的中點平衡控制的算法，該算法利用SPWM 調制中的冗余中間開關狀態(tài)，根據(jù)當前中點電位狀態(tài)和負載電流方向，選擇合適的中間開關狀態(tài)互相替換，對SPWM 的調制結果進行修正，從而對直流側中點電位進行調節(jié)。最后通過Simulink 仿真，驗證了該算法的有效性。本文提出的中點平衡控制算法計算簡單，實用性強，可以有效地將直流母線中點電位偏移控制在合適的范圍內，且不影響原電路的輸出電壓及輸出電流，更增加了驅動器的穩(wěn)定性。

［1］ RODRIGUEZ J，LAI J S，PENG F Z.Multilevel inverters:a survey of topologies，controls，and applications［J］.IEEE Trans. on Industry Electronics，2002，49(4):724 -738.

［2］ PATK S J，KANG F S，LEE M H，et al.A new single-phase fivelevel PWM inverter employing a dead-beat control scheme［J］. IEEE Trans. on Power Electronics，2003，18(3):831-843.

［3］ NABAE A，TAKAHASLLI I，AKAI H. A new neutral - point -clamped PWM inverter［J］.IEEE Trans. on Ind. Applicat，1981，17(5):518 -523.

［4］ CELANOVIC N，BOROYEVICH D.A comprehensive study of neutral- point voltage balancing problem in three - level neutral -point-clamped voltage source PWM inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15(2):242 -249.

［5］ YAMANAKA K.A novel neutral point potential stabilization technique using the information of output current polarities and voltage vector［J］. IEEE Trans. on Industry Applications，2002，38(6):1572 -1580.

［6］ RATNAYAKE K R M N，MURAI Y，WATANBE T. Novel PWM scheme to control neutral point voltage variation in three - level voltage source inverter［C］//Industry Applications Conference，34th IAS Annual Meeting，1999，3:1950 -1955.

［7］ TALLAM R M，NAIL R，NONDAH T A. A carrier - based PWM scheme for neutral-point voltage balancing in three-level inverters［J］. IEEE Trans. on Industry Applications，2005，41(6):1734 -1743.

［8］ SONG Qiang，LIU Wenhua，YU Qingguang. A neutral -point potential balancing algorithm for three-level NPC inverters using analytically injected zero-sequence voltage［C］//Eighteenth Annual IEEE APEC，2003，1:228 -233.

［9］ SUN K L，JUN H K，KWANGHEE N.A DC -link voltage balancing algorithm for 3 -level converter using the zero sequence current［C］//Power Electronics Specialists Conference，30th Annual IEEE PESC，1999，2:1083 -1088.

［10］ OSAWA C，MATSUMOTO Y，MIZUKAMI T，et al. A state -space modeling and a neutral point voltage control for an NPC power converter［C］//Power Conversion Conference，1997，1(1):225 -230.