這種FNI結構的基礎——NPC逆變拓撲
，最早是由Nable等人於1981年提出的。與傳統兩電平變換器相比，有以下優點：在大功率係統中
，將功率器件直接串聯使用而無須外加輔助電路；器件耐壓極限降至直流側電壓的一半

，使器件的選取變得靈活
；輸出波形中諧波成分相對於兩電平變換器大為減少，減輕了濾波環節負擔；負載上電壓紋波減小
，抑止了電磁幹擾問題。

 

2、控製方式的比較與改進

 

2.1　 已有控製方案的介紹

 

文獻［4］中Lau W H等開發的控製方案的優點在於提高模塊輸出的等效開關頻率，抑止輸出諧波；缺點在於係統的輸入信號在經過PWM調製後，仍不能作為驅動信號使用，還須繼續進行較繁瑣的計算
，故不能很好地使用於現有的數字信號處理芯片。

 

2.2　改進的控製方案的原理

 

改進後的控製方式首先將載波頻率提高一倍至2fC，並調整其偏置後，再進行PWM比較，如圖2所示調製後的信號即為驅動信號。而且控製左右橋臂（Leg1、Leg2）的de載zai波bo相xiang位wei相xiang同tong，沒mei有you文wen獻xian控kong製zhi方fang式shi所suo要yao求qiu的de相xiang位wei差cha


，其qi好hao處chu在zai於yu避bi免mian係xi統tong在zai調tiao整zheng開kai關guan頻pin率lv的de同tong時shi還hai需xu要yao調tiao整zheng相xiang位wei差cha，同tong時shi有you利li於yu係xi統tong調tiao節jie直zhi流liu側ce電dian容rong的de中zhong點dian電dian位wei。

 

圖2　改進的控製方案的原理

 

比較圖2和文獻［4］keyifaxian，kaiguanguandequdongxinhaoshixiangtongde
，suoyishuchuboxingyeyidingshixiangtongde。gaijinhoudekongzhicelvenenggoubianjiediyingyongdaoshuzixinhaochulixinpianzhong，tongshibaoliuwenxian［4］控製方式的優點。例如在DSP（TMS320LF2407）芯片上PWM的調製可以通過專職的事件管理模塊EVA及EVB直接完成
，這樣大大降低了控製方式的實現難度。

 

改gai進jin後hou的de控kong製zhi策ce略lve也ye有you不bu足zu之zhi處chu，就jiu是shi也ye沒mei有you提ti供gong解jie決jue直zhi流liu側ce電dian容rong的de中zhong點dian電dian位wei不bu平ping衡heng問wen題ti的de方fang案an。根gen據ju實shi驗yan結jie果guo可ke以yi發fa現xian，由you於yu電dian路lu元yuan件jian的de固gu有you電dian阻zu特te性xing不bu對dui稱cheng所suo造zao成cheng的de電dian容rong中zhong點dian電dian位wei的de靜jing態tai誤wu差cha不bu能neng被bei忽hu略lve。圖tu9（f）為直流側電源為400V時中點電位的情況，可以發現有13.2V的靜態誤差。

 

2.3　中點電位不平衡的危害與解決方案

 

文獻［1］分析了係統直流側中點電位漂移對輸出THD的影響，如圖3所示。圖3中的k值：
，代(dai)表(biao)了(le)中(zhong)點(dian)的(de)失(shi)衡(heng)程(cheng)度(du)。在(zai)其(qi)他(ta)工(gong)業(ye)用(yong)途(tu)中(zhong)，由(you)於(yu)對(dui)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)畸(ji)變(bian)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)，中(zhong)點(dian)的(de)適(shi)當(dang)漂(piao)移(yi)是(shi)允(yun)許(xu)的(de)。但(dan)是(shi)，在(zai)諸(zhu)如(ru)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)係(xi)統(tong)等(deng)對(dui)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)質(zhi)量(liang)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)，中(zhong)點(dian)不(bu)平(ping)衡(heng)可(ke)以(yi)成(cheng)為(wei)輸(shu)出(chu)畸(ji)變(bian)的(de)重(zhong)要(yao)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)。為(wei)了(le)克(ke)服(fu)中(zhong)點(dian)不(bu)平(ping)衡(heng)帶(dai)來(lai)的(de)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)
，我(wo)們(men)在(zai)改(gai)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)中(zhong)加(jia)入(ru)中(zhong)點(dian)平(ping)衡(heng)控(kong)製(zhi)，程(cheng)序(xu)流(liu)程(cheng)圖(tu)如(ru)圖(tu)4所示，中點平衡控製方案框圖如圖5所示。中點平衡控製原理為，每個開關周期開始時首先對直流側電容電壓采樣得到VC1和VC2（見圖1），然後對VC1和VC2的差值做PI運算。如果PI運算的結果為正，則和POSREF（係統能夠容忍的VC1超過VC2的最大值）比較
，如果發現比較器的輸出為正，即意味著中點的漂移情況較為嚴重。進而檢測參考信號VS的幅值，如果VS的幅值為負時（表現為當0和VS的幅值通過比較器後
，輸出為正）
，則將載波頻率提高為2fc；反之

，如果電壓差值PI運算的結果小於NEGREF
，且參考信號Vs幅值為正，則將載波頻率提高為2fc；其他情況下，載波頻率維持fc不變。圖5中Switch模塊的功能是，如果模塊左麵中間腳的輸入信號為正，則模塊的右麵輸出同模塊左麵最下腳輸入信號一致；如果模塊左麵中間腳的輸入信號為零，則模塊的右麵輸出同模塊左麵最上腳輸入信號一致。

 

圖3　 中點電位不平衡對輸出THD的影響

 

圖4　程序流程圖

 

圖5　中點平衡控製方案框圖

 

載波頻率確定後，將VS函數值加載至DSP芯片事件管理器模塊中的比較單元，準備同載波進行PWM調製。加載完成後即進行中斷複位。

 

這zhe種zhong中zhong點dian控kong製zhi方fang式shi的de本ben質zhi是shi通tong過guo調tiao節jie載zai波bo的de頻pin率lv來lai改gai變bian中zhong點dian電dian流liu的de流liu向xiang。通tong過guo比bi較jiao載zai波bo頻pin率lv加jia倍bei前qian後hou中zhong點dian電dian流liu流liu向xiang的de仿fang真zhen，我wo們men可ke以yi得de知zhi：如果以參考信號VS的頻率fs為參考，載波頻率加倍前，中點電流ineu的流向每周期內交替變化（見圖6），變換的頻率為2fc
；載波頻率加倍後，中點電流ineu的流向每周期內隻改變一次（見圖7），即變換的頻率為2fs。又因為後者中點電流的流向同參考信號VS的幅值有關
，所以在決定是否將載波頻率加倍前，需要檢測VS幅值的正負。

 

圖6　 載波頻率加倍前中點電流流向的仿真

 

圖7　 載波頻率加倍後中點電流流向的仿真

 

圖8 載波倍頻控製方案的原理

 

比較圖8和圖2可知
，當載波頻率加倍時
，輸出波形同原來一致。在DSP（TMS320LF2407）芯片中

，載波頻率隻有在載波的幅值為0時才能改變
；故載波無相位差可以使控製左右橋臂的載波頻率同時變化而對輸出波形無任何影響。

 

3、實驗驗證與結果

 

本文設計了一個單模塊多電平電路的實驗模型
，其具體的電路參數及規格如下：

輸出滿載功率　　1kW；

輸出頻率　　2kHz；

直流側輸入電壓　　400V；

基礎開關頻率　　100kHz。

 

開關管驅動信號由DSP提供，驅動信號的PWM調製產生均在DSP內部完成。圖9和圖10分別為采用中點平衡控製前後的輸出波形和中點電位比較。

 

如圖9（e）和圖9（f）所示
，采用中點平衡控製後，直流側電容電壓靜態誤差3.2V
；采用中點平衡控製前
，直流側電容電壓靜態誤差13.2V。

 

（a）輸出波形

 

（b）輸出波形局部放大

 

（c）中點電位波形

圖9　 采用中點平衡控製前的波形

 

（a）輸出波形

 

（b）輸出波形局部放大

 

（c）中點電位波形

圖10　采用中點平衡控製後的波形

 

4、結語

本文分析了開關功率放大器的拓撲和數字控 製方案。在控製方案設計中，介紹了一種適合五電平二極管中點鉗位逆變拓撲的PWM控製技術，它能提高輸出的等效開關頻率並降低直流側中點電位的漂移，提高係統輸出波形質量。

 

文中的FNI功gong率lv模mo塊kuai可ke以yi采cai用yong交jiao錯cuo並bing列lie的de方fang式shi提ti高gao係xi統tong的de總zong功gong率lv和he輸shu出chu波bo形xing的de電dian平ping數shu，這zhe樣yang既ji達da到dao了le擴kuo展zhan係xi統tong功gong率lv等deng級ji的de要yao求qiu
，又you可ke以yi降jiang低di係xi統tong的de輸shu出chu畸ji變bian。

 

當dang然ran還hai有you很hen多duo問wen題ti需xu要yao解jie決jue，比bi如ru多duo電dian平ping逆ni變bian電dian路lu的de死si區qu補bu償chang問wen題ti，以yi及ji多duo模mo塊kuai間jian的de均jun流liu問wen題ti等deng
，這zhe些xie都dou將jiang作zuo為wei下xia一yi步bu研yan究jiu工gong作zuo的de重zhong點dian。