CPS―SPWM调制方法在H桥多电平变流器中的应用
随着大功率自关断器件和智能高速微控制芯片的不断发展，大功率电力电子变流装置得到了越来越深入的研究，在大容量电机驱动、交直流电力传输等场合的应用范围也越来越广泛了。在大功率电力电子变流装置的实现上，一个重要的问题就是大功率器件的工作频率较低，无法适应pwm技术等优秀的调制技术。载波移相正弦波脉宽调制技术（carrier phase-shifted spwm，以下简称cps-spwm）是为了解决该问题而提出的新技术。
田纳西大学的peng f.z.等人于1996年提出了级联h桥型变流器的拓扑结构，并用于无功补偿［1］。级联h桥变流器主电路拓扑结构如图1所示，由n个单相全桥模块在交流侧串联构成一相桥臂对，直流侧相互独立，如图1（a）所示。由3个桥臂对通过y型或者△连接构成三相系统，如图1（b）所示便为y型接法示意图。相对于二极管钳位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，这种级联h桥型变流器具有如下优点：
1）各变流器单元结构相同，容易实现模块化设计、安装、维修；
2）直流侧相互独立，电压均衡容易实现；
3）各变流器单元工作对称，开关负荷平衡。
在电压型变换电路中．输出的交流电压为矩形波。早期常用多重化技术把几个矩形波输出组合成逼近正弦波的波形。以提高容量、减小谐波对于lx个三相变流电路单元（每个单元三相，此处用lx表示多重化中三相变流器的单元数，以和下面n表示h桥的单元数区分，本文以每3-h桥为一个单元），将其输出波形的相位各错开π／（3lx），连同抵消它们之间相位差的变压器（移相变压器），可以构成脉波数为6lx、的变流器系统。输出波形中包含6klx±1（k为正整数）次的谐波。但多重化技术存在以下不足：结构复杂，系统动态响应差；各装置输入／输出波形须错开一定的相位，造成基波损失。
多电平组合变流器是采用cps—spwm技术和多重化技术相结合的变流器。该类变流器等效开关频率高、开关损耗小、动态响应快、通频带宽，便于采用不同的控制策略。h桥型拓扑在多电平变流器的基本拓扑中，具有结构简单、需要最少数量的器件、不需要大量的钳位二极管和飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点。本文介绍h桥的几种基本结构及其级联形式，并以级联3-h桥为例．用tms3201lf2407 dsp发出控制三相单模块和单相两模块h桥的脉冲信号，使之分别输出三相三电平和单相五电平。频谱分析表明只含有开关整倍次及其边带谐波，和理论分析的完全一致。
1 h桥拓扑结构 h桥多电平变流器的基本结构有两种：一种为三电平h桥（3-level h-hridge．3-h），另一种为五电平h桥（5-level h-bridge，5-h）。其中，五电平h桥又包括二极管钳位型和电容钳位型两种。3-h桥变流器的基本单元如图1所示，这个基本单元可产生3电平输出：同时导通s1和s3或s2和s4，就可在两桥臂间产生极性相反的电平；当同时导通s1和s2或s3和s4时．则输出零电平。
5-h桥变流器的基本单元如图2所示．以一极管钳位型为例来说明其电平生成情况、图2（a）所示5-h单元由全桥式中点钳位式电路组成，适当改变逆变器中晶体管的开关状态，a点和n点可跟d0，d1和d2相连。假设直流侧电压vdc为2e，电容上的电压为vdc／2。5-h桥基本单元输出电压van可以有五种不同的取值：-2e，-e，0，e和2e。在这个拓扑中，电容上的电压可以通过对冗余状态的选择保持平衡。
以图1及图2中的基本电路单元为基础，可以得到图3所示的级联3-h变流器和图4所示级联5-h变流器。由3一h级联而成的电压型变频器已由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。根据系统对输出电压，电平数的要求可决定级联的单元数。级联3-h桥型变流器有很多优点：获得同样电平数输出时，使用的元器件最少；每个变流器单元的结构相同，容易进行模块化设汁和封装；各变流器单元之间相对独立，容易引入软开关控制；直流侧的均压比较容易实现；各变流器单元的工作负荷一致等。对于级联3-h变流器，级联单元数n（每个3-h变流器为一个单元）和输出波形电平数w之间满足w=2n+l的关系；级联5-h变流器对应关系为：w=4n+l。以上各变流器单元的独立直流源电压值相同。故若将各独立电压源的电压值分别取为e、2e、4e……2n-1e，则其输出的电平数就大幅度地增加到2n+1一l，即得到所谓的改进的级联h桥型多电平变流器（modified cascade否h-bridgemultilevel converter）。但此种拓扑导通器件数增多，开关损耗加大，电路整体效率下降，调制策略变得复杂，因而仍在探索阶段。
2 载波相移spwm（cps-spwm）调制原理 相移spwm调制技术的基本思想是：在变流器单元数为n的电压型spwm组合装置中，各变流器单元采用共同的调制波信号sm，其频率为fm。各变流器单元的三角载波频率为fc，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1／（2n），即三角载波trl（1）、trl（2）、trl（3）……trl（2n）的相位依次相差tc／（2n）（式中tc=l／fc）．以变流器单元数n等于4为例如图5（a）所示。各模块输出如图5（b）所示．每个模块的输出都是两个三角波与调制波相交产生的pwm信号的叠加．是三逻辑信号叠加后输出如图5（c）所示。2n个三角波tri（i=1．2．3……2n）在整个调制波周期内均匀分布，所以，从输出频谱看，n个单元构成的级联型变流器等效为2n单元的相移spwm组合变流器，输出为（2n+1）电平的pwm信号。其频域模型为
式中除以下成分外均为零：
1）信号输出f=fm
由此可见，采用载波相移方式的n单元变流器输出信号电压提高n倍．呈线性放大；等效开关频率提高2n倍。
3 实验 采用cps—spwm调制方法的级联型h桥变流器，能够在不使用变压器的情况下，在较低的器件开关频率下实现高载波频率的效果。本文以3-h桥为例进行实验，对于n单元级联型3-h桥，产生（2n+1）电平的输出，需要4n个开关管，即4n路pwm信号：由3n个单元级联型3-h桥模块组成的三相变流器产生三相（2n+1）电平，需要12n个开关管，12n路pwm信号。目前流行的控制器tms320lf2407 dsp是tl公司专为数字电机控制而设计的新一代数字处理器，2407在一块芯片上集成了两个事件管理器，共可以产生6对互补的pwm信号，可用于三相单模块的三电平输出，或单相五电平输出。实验输出波形如图6及图8所示。频谱分布如图7及图9所示。
结语 频谱分析（图7，图9）表明，对于三相三电平谐波畸变率thd=o.6005，采用cps—spwm调制方法输出五电平的谐波畸变率降到thd=0.2911。同时由频谱图显然可见，输出波形中只含有nf次及其边带谐波（其中n为变流器单元数，f为单个开关频率）即变流器的等效开关频率提高到了n倍。当级联的模块数增加时，输出波形的谐波会成比例地向高次移动，从而使得总的谐波畸变率大幅度降低，因而使得cps—spwm技术应用到h桥拓扑中在大功率方面有广阔的应用前景。
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