3相3級逆變器的中心對齊SVPWM實現

摘要

空間矢量脈寬調制(SVPWM)廣泛用于3相逆變器控制系統(tǒng)。SVPWM MCU實現的最有效方法是中心對齊PWM，因為MCU中的PWM模塊可輕松產生中心對齊PWM。本文將討論SVPWM實現方法，并介紹一種輕松實現中心對齊SVPWM的方法，其適合于片上PWM模塊。

1 引言

SVPWM廣泛用于3相逆變器控制系統(tǒng)，原因是它比正弦脈寬調制(SPWM)擁有更高的DC側電壓利用效率。盡管SVPWM具有許多優(yōu)勢，但是它難以實現。最難的因素是計算每個功率開關的占空比，以及確定每個開關周期的矢量扇區(qū)和脈沖序列。許多文章都介紹了3相2級逆變器的占空比計算方法，并且我們可以使用許多方法來計算出矢量序列(例如，中心對齊方法，它可以在MCU平臺中輕松地實現)。

為了改善3相逆變器的系統(tǒng)效率，3級或者多級逆變器正變得越來越流行。相比2級逆變器，3級逆變器擁有更多的功率開關(最多可達12個);這就意味著，3級逆變器比2級逆變器擁有更多的矢量扇區(qū)。因此，相比2級逆變器，3級逆變器SVPWM的占空比計算和矢量計算更加復雜。

本文[1]介紹了一種計算矢量扇區(qū)的簡單方法。計算過程總共只有2步，第1步把整個矢量分為6個主要扇區(qū)。這一步與2級逆變器的扇區(qū)計算方法非常類似。第2步，把基準扇區(qū)重新定位至這6個扇區(qū)之一中，然后把這個主扇區(qū)分為6個子扇區(qū)。這種計算方法可用于2級逆變器，用于確定有效矢量和計算其停頓時間。但是，我們還沒有討論每個開關周期的矢量序列，并且占空比計算方法很難在MCU應用中實現。本文[2]把相同方法用于計算矢量。重新定位的零矢量作為2級逆變器的零矢量，則得到的矢量序列與2級逆變器一樣。在實現過程中，MCU用于產生序列信號，并把外圍邏輯電路用于每個功率開關的已實現PWM生成。我們并未介紹沒有外圍邏輯電路且適合于MCU實現的方法。

SVPWM MCU實現的最有效方法是中心對齊PWM，因為MCU的PWM模塊可輕松地產生中心對齊PWM。本文將基于[1]和[2]所述方法，討論SVPWM實現，并介紹實現中心對齊SVPWM的一種簡單方法，其適合于片上PWM模塊。

2 3相3級逆變器的基本SVPWM原理

圖1顯示了中點箝位(NPC)型3相3級逆變器的硬件拓撲。

圖1 NPC 3相3級逆變器的硬件拓撲

圖1中，共有3個NPC腿(R、S和T);每個腿包括4個功率開關。每個腿的4個功率開關必須在兩個補償對中得到控制。Qx1、Qx3(x = R,S,T)為一個補償對，Qx2、Qx4為另一對。因此，對于每個腿而言，它可通過4個功率開關輸出3個不同相位的電壓狀態(tài)。

表1 每個腿的輸出狀態(tài)

當控制每個腿的功率開關(參見表1)時共有27個狀態(tài);每個狀態(tài)均可映射到α- β坐標平面矢量圖。27個矢量可形成18個扇區(qū)，如圖2所示。

圖2 3相3級逆變器SVPWM矢量圖假設基準矢量Vref。根據SVPWM理論，我們必須在圖2中找出兩個最接近的矢量Vx、Vy以及一個零矢量Vz，以組成矢量Vref。圖2顯示了Vref和Vx、Vy、Vz之間的關系。因此，我們可以選擇矢量PNN(Vx)、PNN(Vy)和NNN(Vz)，形成Vref。如果規(guī)定間隔Ts內Vx、Vy、Vz的停頓時間分別為Tx、Ty、Tz，則可得到如下函數：

但是，僅僅通過2級SVPWM中使用的角度還很難確定Vx、Vy、Vz，因為即使角度相同，但基準矢量可位于不同扇區(qū)內。為了確定該扇區(qū)，需要基準矢量的大小，但它會增加計算方法的復雜度。

[1]和[2]介紹了一種計算Vx、Vy、Vz的簡單方法。首先，圖2所示整個矢量圖被分為6個主扇區(qū)。每個主扇區(qū)包含10個原始扇區(qū)，其會形成一個子六邊形。這6個主扇區(qū)呈60度角差連續(xù)分布。圖3顯示了這6個主扇區(qū)。

圖3 3級SVPWM的主扇區(qū)

給定基準矢量Vref情況下，可僅利用該角度計算主扇區(qū)。例如，圖4中，Vref和α軸之間角度θ為+60度到-60度，其意味著Vref主扇區(qū)為扇區(qū)1。