本发明专利技术公开了一种适用于电压比为1∶2∶2∶2类型的混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法，属于多电平变流器PWM技术领域。该方法首先将正弦调制波vref取绝对值得调制波vm，调制波vm与主三角载波vca、vcb、vcc和辅三角载波vcr1、vcr2、vcr3进行比较，得到六个逻辑脉冲信号A、B、C、R1、R2、R3，正弦调制波vref与零电压比较得极性脉冲信号D。然后将这六个逻辑脉冲信号和极性脉冲信号经过驱动逻辑运算电路来产生一种优化的PWM驱动信号。本发明专利技术的方法可以保证该类型的逆变器在满足主功率单元功率均衡分配的情况下，加入辅助单元实现逆变器输出电平数及等效开关频率的增加，提高该逆变器的实用性。
An improved carrier phase shift modulation method for multilevel inverters of hybrid cascaded H Bridge
The invention discloses an improved carrier phase shift modulation method for a hybrid cascade H bridge multilevel inverter with a voltage ratio of 1: 2: 2: 2, which belongs to the field of multilevel converter PWM technology. In this method, the sinusoidal modulation wave VREF is first absolutely worth the modulation wave VM. The modulation wave VM is compared with the main trigonometric carrier VCA, VCB, VCC and the auxiliary triangle carrier VCR1, vcr2 and vcr3, and the six logic pulse signals A, B, C, the sinusoidal modulation wave and the zero voltage are compared with the zero voltage. Then, the six logical pulse signals and polar pulse signals are generated by driving logic operation circuit to produce an optimized PWM driving signal. The method of the invention can ensure that the inverter can increase the output level and the equivalent switching frequency of the inverter when the power balance distribution of the main power unit is satisfied, and the practicability of the inverter is improved.
【技术实现步骤摘要】
一种适用于混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法
本专利技术属于多电平变流器PWM
，具体涉及一种适用于电压比为1∶2∶2∶2类型的混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法。
技术介绍
传统的两电平功率变换技术由于受功率器件耐压、输出电压谐波性能等影响而不适用于高压大功率场合，即使是采用功率器件直接串联的两电平高压大功率变换技术也存在静态和动态均压等一系列问题。而多电平功率变换技术的出现，在无需解决功率器件串联均压等问题的情况下，减小了功率器件的电压应力，减少了输出电压的谐波含量，降低了dv/dt所造成的电磁干扰，成为了高压大功率变换技术的研究热点。常见的多电平变换器有二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型等。级联H桥型逆变器不存在电压不均衡问题，也无需钳位二极管或飞跨电容，它是多电平逆变器中输出同样数量电平而所需器件最少的一种，并且具有模块化和相电压冗余等特点。但是它需要多个隔离的直流电源，在采用蓄电池、太阳能电池或燃料电池供电的大功率场合，其要求输入直流电源隔离的问题得到自然解决，因此是一种十分合适的拓扑选择。相比等压级联H桥型拓扑而言，混合级联H桥拓扑能以较少的功率器件和直流电源，输出较多的电平数，在高压大功率变换领域具有较大的应用价值和广阔的发展前景。由于各级联单元相互独立，当传递有功功率时，需要考虑功率均衡问题。调制方法本身的特性造成了各个级联单元输出功率不同，使得电池充放电不平衡，引起如蓄电池，太阳能电池等输入电源间电压差别增大，造成逆变器输出电压谐波含量增大，同时还会引起各单元电池使用寿命不相同，造成系统维护成本增加，因此需要对各个级联单元输出功率进行均衡控制。研究发现，载波移相调制可以自然实现功率均衡，尤其适用于等压级联H桥型拓扑，但对于混合级联H桥拓扑而言，该方法难以直接采用。图1所示是一种混合级联H桥多电平逆变器拓扑，与传统的等压级联H桥型拓扑不同的是，其由n个H桥单元级联而成，除单元1(辅助单元)以外，其余n-1个级联单元(主功率单元)直流侧均为电压源，且直流侧电压相等，即Vdc2＝Vdc3＝…＝Vdcn＝E；而单元1的直流侧为电容，且其直流侧电压仅为其余单元直流侧电压的一半，即Vdc1＝0.5E。采用本专利技术的调制方法可以在保留等压级联H桥型拓扑优点的基础上实现：1)输出电平数增加。除辅助单元以外，其余n-1个主功率单元的输出电平数为2n-1，加上辅助单元之后，总输出电平数可达4n-3。2)输出等效开关频率增加。采用本专利技术的调制方法，n-1个主功率单元输出电压的等效开关频率为开关管实际开关频率的n-1倍，加上辅助单元之后，逆变器输出电压在此基础上实现倍频，故等效开关频率可以达到2(n-1)倍。本专利技术的调制方法将传统的载波移相调制进行改进，使其可以很好地应用于混合级联H桥多电平逆变器中，大大改善了输出电压波形质量，具有重要的理论及现实意义。本专利技术以4个级联单元为例，详细分析适用于该类型拓扑的改进型载波移相调制原理及实现方法。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是提出一种适用于电压比为1∶2∶2∶2类型的混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法，在满足主功率单元功率均衡分配的情况下，辅助单元的加入实现逆变器输出电平数和输出等效开关频率的增加，从而改善系统输出电压的谐波特性，提高该多电平逆变器的实用性。技术方案本专利技术的技术方案如下：(1)该混合级联H桥多电平逆变器由n个H桥单元级联而成，其中，单元1为辅助单元，直流侧为电容，且其直流侧电压仅为其余单元直流侧电压的一半，即Vdc1＝0.5E；其余n-1个级联单元为主功率单元，直流侧均为电压源，且直流侧电压相等，即Vdc2＝Vdc3＝…＝Vdcn＝E。(2)该方法的实现电路包括逻辑脉冲发生电路和驱动逻辑运算电路两部分。逻辑脉冲发生电路由正弦调制波(vref)、绝对值运算电路(Abs)、主三角载波(vca、vcb、vcc)、辅三角载波(vcr1、vcr2、vcr3)和七个比较器(T1～T7)组成；驱动逻辑运算电路由20个非门(X1～X20)、19个双输入与门(Y1～Y19)、2个三输入与门(Y20～Y21)、5个双输入或门(Z1～Z5)和6个三输入或门(Z6～Z11)组成。其中，主三角载波(vca、vcb、vcc)频率均为fc，峰峰值均为3E，且均介于0和3E之间；辅三角载波(vcr1、vcr2、vcr3)频率均为3fc，峰峰值均为E，且辅三角载波vcr1介于0和E之间，辅三角载波vcr2介于E和2E之间，辅三角载波vcr3介于2E和3E之间。以主三角载波的周期为基准，主三角载波vca、主三角载波vcb和主三角载波vcc相位互差120°；辅三角载波vcr1与零参考线的交点和三个主三角载波与零参考线的交点相位相差60°，辅三角载波vcr3的相位与辅三角载波vcr1的相位相同，辅三角载波vcr2的相位与辅三角载波vcr1的相位相差60°，即三个辅三角载波呈交替反向层叠式排列。(3)在逻辑脉冲发生电路中：正弦调制波vref接绝对值运算电路Abs的输入端，绝对值运算电路Abs的输出信号为调制波vm，调制波vm分别接入比较器T1～T3、T5～T7的正相输入端，主三角载波vca接比较器T1的反相输入端，主三角载波vcb接比较器T2的反相输入端，主三角载波vcc接比较器T3的反相输入端，辅三角载波vcr1接比较器T5的反相输入端，辅三角载波vcr2接比较器T6的反相输入端，辅三角载波vcr3接比较器T7的反相输入端，正弦调制波vref接比较器T4的正相输入端，比较器T4的反相输入端接零参考电位。(4)在驱动逻辑运算电路中：比较器T1输出端经非门X1后和比较器T4的输出端接或门Z1的两个输入端，或门Z1的输出信号作为开关管Q21的驱动信号，或门Z1的输出端接非门X4后的输出信号作为开关管Q22的驱动信号；比较器T1的输出端和比较器T4的输出端接与门Y1的两个输入端，与门Y1的输出信号作为开关管Q24的驱动信号，与门Y1的输出端接非门X7后的输出信号作为开关管Q23的驱动信号；比较器T2输出端经非门X2后和比较器T4的输出端接或门Z2的两个输入端，或门Z2的输出信号作为开关管Q31的驱动信号，或门Z2的输出端接非门X5后的输出信号作为开关管Q32的驱动信号；比较器T2的输出端和比较器T4的输出端接与门Y2的两个输入端，与门Y2的输出信号作为开关管Q34的驱动信号，与门Y2的输出端接非门X8后的输出信号作为开关管Q33的驱动信号；比较器T3输出端经非门X3后和比较器T4的输出端接或门Z3的两个输入端，或门Z3的输出信号作为开关管Q41的驱动信号，或门Z3的输出端接非门X6后的输出信号作为开关管Q42的驱动信号；比较器T3的输出端和比较器T4的输出端接与门Y3的两个输入端，与门Y3的输出信号作为开关管Q44的驱动信号，与门Y3的输出端接非门X9后的输出信号作为开关管Q43的驱动信号；比较器T1～T3、T5～T7的输出端接辅助信号运算模块，辅助信号运算模块的输出为信号L1和L2，信号L1接非门X11，比较器T4的输出端接非门X10，非门X11的输出端和非门X10的输出端接与门Y4的两个输入端，信号L1和比较器T4的输出端接与门Y6本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法，其特征在于：该方法的实现电路包括逻辑脉冲发生电路和驱动逻辑运算电路两部分，其中逻辑脉冲发生电路由正弦调制波vref、绝对值运算电路Abs、主三角载波vca、主三角载波vcb、主三角载波vcc、辅三角载波vcr1、辅三角载波vcr2、辅三角载波vcr3和七个比较器T1～T7组成；驱动逻辑运算电路由20个非门X1～X20、19个双输入与门Y1～Y19、2个三输入与门Y20～Y21、5个双输入或门Z1～Z5和6个三输入或门Z6～Z11组成，正弦调制波vref接绝对值运算电路Abs的输入端，绝对值运算电路Abs的输出信号为调制波vm，调制波vm分别接入比较器T1～T3、T5～T7的正相输入端，主三角载波vca接比较器T1的反相输入端，主三角载波vcb接比较器T2的反相输入端，主三角载波vcc接比较器T3的反相输入端，辅三角载波vcr1接比较器T5的反相输入端，辅三角载波vcr2接比较器T6的反相输入端，辅三角载波vcr3接比较器T7的反相输入端，正弦调制波vref接比较器T4的正相输入端，比较器T4的反相输入端接零参考电位，比较器T1输出端经非门X1后和比较器T4的输出端接或门Z1的两个输入端，或门Z1的输出信号作为开关管Q21的驱动信号，或门Z1的输出端接非门X4后的输出信号作为开关管Q22的驱动信号；比较器T1的输出端和比较器T4的输出端接与门Y1的两个输入端，与门Y1的输出信号作为开关管Q24的驱动信号，与门Y1的输出端接非门X7后的输出信号作为开关管Q23的驱动信号；比较器T2输出端经非门X2后和比较器T4的输出端接或门Z2的两个输入端，或门Z2的输出信号作为开关管Q31的驱动信号，或门Z2的输出端接非门X5后的输出信号作为开关管Q32的驱动信号；比较器T2的输出端和比较器T4的输出端接与门Y2的两个输入端，与门Y2的输出信号作为开关管Q34的驱动信号，与门Y2的输出端接非门X8后的输出信号作为开关管Q33的驱动信号；比较器T3输出端经非门X3后和比较器T4的输出端接或门Z3的两个输入端，或门Z3的输出信号作为开关管Q41的驱动信号，或门Z3的输出端接非门X6后的输出信号作为开关管Q42的驱动信号；比较器T3的输出端和比较器T4的输出端接与门Y3的两个输入端，与门Y3的输出信号作为开关管Q44的驱动信号，与门Y3的输出端接非门X9后的输出信号作为开关管Q43的驱动信号；比较器T1～T3、T5～T7的输出端接辅助信号运算模块，辅助信号运算模块的输出为信号L1和L2，信号L1接非门X11，比较器T4的输出端接非门X10，非门X11的输出端和非门X10的输出端接与门Y4的两个输入端，信号L1和比较器T4的输出端接与门Y6的两个输入端，与门Y4的输出端和与门Y6的输出端接或门Z4的两个输入端，或门Z4的输出信号作为开关管Q11的驱动信号，或门Z4的输出端接非门X13后的输出信号作为开关管Q12的驱动信号；信号L2接非门X12，比较器T4的输出端接非门X10，非门X12的输出端和非门X10的输出端接与门Y5的两个输入端，信号L2和比较器T4的输出端接与门Y7的两个输入端，与门Y5的输出端和与门Y7的输出端接或门Z5的两个输入端，或门Z5的输出信号作为开关管Q13的驱动信号，或门Z5的输出端接非门X14后的输出信号作为开关管Q14的驱动信号，其中，在辅助信号运算模块中，比较器T1的输出端接非门X15的输入端，比较器T2的输出端接非门X16的输入端，比较器T3的输出端接非门X17的输入端，非门X15的输出端、非门X16的输出端和非门X17的输出端接与门Y20的三个输入端，非门X15的输出端和非门X16的输出端接与门Y8的两个输入端，非门X16的输出端和非门X17的输出端接与门Y9的两个输入端，非门X17的输出端和非门X15的输出端接与门Y10的两个输入端，非门X15的输出端、非门X16的输出端和非门X17的输出端接或门Z6的三个输入端，与门Y8的输出端、与门Y9的输出端和与门Y10的输出端接或门Z8的三个输入端，与门Y20的输出端和比较器T5的输出端接与门Y14的两个输入端，或门Z8的输出端和比较器T6的输出端接与门Y15的两个输入端，或门Z6的输出端和比较器T7的输出端接与门Y16的两个输入端，与门Y14的输出端、与门Y15的输出端和与门Y16的输出端接或门Z10的三个输入端，或门Z10的输出信号为信号L1；比较器T1的输出端、比较器T2的输出端和比较器T3的输出端接与门Y21的三个输入端，比较器T1的输出端和比较器T2的输出端接与门Y11的两个输入端，比较器T2的输出端和比较器T3的输出端接与门Y12的两个输入端，比较器T3的输出端和比较器T1的输出端接与门Y13的两个输入...
【技术特征摘要】
1.一种适用于混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法，其特征在于：该方法的实现电路包括逻辑脉冲发生电路和驱动逻辑运算电路两部分，其中逻辑脉冲发生电路由正弦调制波vref、绝对值运算电路Abs、主三角载波vca、主三角载波vcb、主三角载波vcc、辅三角载波vcr1、辅三角载波vcr2、辅三角载波vcr3和七个比较器T1～T7组成；驱动逻辑运算电路由20个非门X1～X20、19个双输入与门Y1～Y19、2个三输入与门Y20～Y21、5个双输入或门Z1～Z5和6个三输入或门Z6～Z11组成，正弦调制波vref接绝对值运算电路Abs的输入端，绝对值运算电路Abs的输出信号为调制波vm，调制波vm分别接入比较器T1～T3、T5～T7的正相输入端，主三角载波vca接比较器T1的反相输入端，主三角载波vcb接比较器T2的反相输入端，主三角载波vcc接比较器T3的反相输入端，辅三角载波vcr1接比较器T5的反相输入端，辅三角载波vcr2接比较器T6的反相输入端，辅三角载波vcr3接比较器T7的反相输入端，正弦调制波vref接比较器T4的正相输入端，比较器T4的反相输入端接零参考电位，比较器T1输出端经非门X1后和比较器T4的输出端接或门Z1的两个输入端，或门Z1的输出信号作为开关管Q21的驱动信号，或门Z1的输出端接非门X4后的输出信号作为开关管Q22的驱动信号；比较器T1的输出端和比较器T4的输出端接与门Y1的两个输入端，与门Y1的输出信号作为开关管Q24的驱动信号，与门Y1的输出端接非门X7后的输出信号作为开关管Q23的驱动信号；比较器T2输出端经非门X2后和比较器T4的输出端接或门Z2的两个输入端，或门Z2的输出信号作为开关管Q31的驱动信号，或门Z2的输出端接非门X5后的输出信号作为开关管Q32的驱动信号；比较器T2的输出端和比较器T4的输出端接与门Y2的两个输入端，与门Y2的输出信号作为开关管Q34的驱动信号，与门Y2的输出端接非门X8后的输出信号作为开关管Q33的驱动信号；比较器T3输出端经非门X3后和比较器T4的输出端接或门Z3的两个输入端，或门Z3的输出信号作为开关管Q41的驱动信号，或门Z3的输出端接非门X6后的输出信号作为开关管Q42的驱动信号；比较器T3的输出端和比较器T4的输出端接与门Y3的两个输入端，与门Y3的输出信号作为开关管Q44的驱动信号，与门Y3的输出端接非门X9后的输出信号作为开关管Q43的驱动信号；比较器T1～T3、T5～T7的输出端接辅助信号运算模块，辅助信号运算模块的输出为信号L1和L2，信号L1接非门X11，比较器T4的输出端接非门X10，非门X11的输出端和非门X10的输出端接与门Y4的两个输入端，信号L1和比较器T4的输出端接与门Y6的两个输入端，与门Y4的输出端和与门Y6的输出端接或门Z4的两个输入端，或门Z4的输出信号作为开关管Q11的驱动信号，或门Z4的输出端接非门X13后的输出信号作为开关管Q12的驱动信号；信号L2接非门X12，比较器T4的输出端接非门X10，非门X12的输出端和非门X10的输出端接与门Y5的两个输入端，信号L2和比较器T4的输出端接与门Y7的两个输入端，与门Y5的输出端和与门Y7的输出端接或门Z5的两个输入端，或门Z5的输出信号作为开关管Q13的驱动信号，或门Z5的输出端接非门X14后的输出信号作为开关管Q1...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈仲，那显龙，孙健博，刘亚云，许亚明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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