CN101860249B - 一种三电平逆变器及其过零切换逻辑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平逆变器及其过零切换逻辑控制方法，该方法包括：判断切换信号发生的区域；如果所述切换信号发生在第一区域、第三区域或所述第四区域时，控制三电平的四个开关管的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制。通过控制发波逻辑，将切换过程分成四个不同区域，在不同区域内分别对开关管Q1、Q2、Q3和Q4进行逻辑控制，通过该逻辑控制，在三电平逆变器在正负半周切换的过程中，保证了互补开关管(Q1与Q3，Q2与Q4)之间死区的时间，避免了开关管Q2与开关管Q4，或者开关管Q1与开关管Q3同时导通，使逆变桥臂短路，从而导致电路无法正常工作的缺陷，从而保证电路正常稳定工作。

Description

一种三电平逆变器及其过零切换逻辑控制方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，更具体地说，涉及一种三电平逆变器及其过零切换逻辑控制方法。

背景技术

近年来，在高压大功率场合，一种新型的电力电子变换器---多电平变换器受到了越来越多的关注。所谓的多电平变换器(Multilevel Converter，MLC)的桥臂上有4个或更多个电力半导体器件，它通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电流，可以使波形更加接近正弦波。二极管钳位三电平变换器结构(单相)如图1所示，它能有效地提高换流***的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗，在电力***的大功率应用中受到普遍重视。

基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路已进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为多电平变换器是建立在三电平变换器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而成。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少。理论上可达任意n电平的多电平变换器，在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下，并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。

图1为单相二极管钳位型三电平逆变器的主电路，Vin为总输入直流电压，C1、C2为输入分压电容，两端各1/2Vin，中点为***N线。Q1～Q4为主开关管，其中主开关管Q1和Q4因在外部也被称为外管，开关管Q2和Q3则被称为内管。D3～D6为与主开关管反并联的二极管，D1、D2为钳位二极管。La、Ca分别为输出滤波电感和滤波电容，i_L为输出滤波电感电流，i_C为输出滤波电容电流，i_LOAD为输出负载电流，Uo为三电平逆变电路桥臂输出电压，滤波电容Ca两端电压为输出电压Ua，所有电压参考点均为N。图1中三电平逆变器开关管Q1～Q4的开关控制信号产生原理图如图2所示，控制电路共发出3个控制信号：PWM1(脉宽调制信号1)、PWM2(脉宽调制信号2)和EN(正负半周切换信号，也被称为：使能信号)，其中PWM1与PWM2互补，并间隔死区时间td，死区时间td非常重要，无死区时间或死区时间过小会导致桥臂直通短路故障，导致器件损坏。正负半周切换信号EN控制输出电压正负半周状态。Q1～Q4四个主开关管控制信号产生逻辑如下：

输出电压正半周内：主开关管Q2常通，主开关管Q4常断，主开关管Q1的控制信号＝PWM1，主开关管Q3的控制信号＝PWM2，主开关管Q1的控制信号与主开关管Q3的控制信号互补导通；

输出电压负半周内：主开关管Q3常通，主开关管Q1常断，主开关管Q4的控制信号＝PWM1，主开关管Q2的控制信号＝PWM2，主开关管Q2与主开关管Q4互补导通。

由于正负半周切换信号(EN，也叫做：使能信号)与控制信号PWM1、PWM2是完全独立的，因此在一个开关周期内，正负半周切换信号可能出现在如图3所示的I～IV四个工作区域内，这样对应四种工作模式，具体如下：

1)、正负半周切换信号发生在I区域(第一区域)内

当正负半周切换信号发生在I区域(第一区域)内时，如图4所示，开关管Q2导通和开关管Q4关断死区时间由设定的td减小为td1，td1时间可能会非常小，过小的死区时间可能会导致开关管Q2、Q4同时导通，从而导致桥臂直通短路。

2)、正负半周切换信号发生在II区域(第二区域)内

当正负半周切换信号发生在II区域(第二区域)内时会出现如图6的状况，按照原发波逻辑，开关管Q2和开关管Q4的控制信号死区为td。

3)、正负半周切换信号发生在III区域(第三区域)内

当正负半周切换信号发生在III区域(第三区域)内时，如图7所示，开关管Q1导通和开关管Q3关断死区时间由设定的td减小为td2，td2时间可能会非常小，过小的死区时间可能会导致开关管Q1、Q3同时导通，从而导致桥臂直通短路。

4)、切换信号发生在IV区域(第四区域)内

同理，正负半周切换信号发生在IV区域(第四区域)内时，如图8所示，主开关管Q4关断与主开关管Q2开通之间死区时间为零，逆变桥臂极易短路。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的三电平逆变器在正负半周切换的过程中，会出现互补主开关管(Q1与Q3，Q2与Q4)之间死区减小，甚至减小到零，会导致逆变桥臂短路，从而导致电路无法正常工作的缺陷，提供一种三电平逆变器及其过零切换逻辑控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种三电平逆变器过零切换逻辑控制方法，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，该逆变器包括：主开关管Q1、Q2、Q3、Q4和用于控制所述主开关管的控制电路，所述控制电路共发出3个用于控制所述主开关管的控制信号：PWM1、PWM2和作为切换信号的使能信号，控制所述主开关管的通断形成开关周期，其中PWM1与PWM2为互补的信号，其中，Q1、Q4为外管，Q2、Q3为内管，在输出电压正半周内：主开关管Q2常通，主开关管Q4常断，主开关管Q1的控制信号为PWM1，主开关管Q3的控制信号为PWM2；在输出电压负半周内：主开关管Q3常通，主开关管Q1常断，主开关管Q4的控制信号为PWM1，主开关管Q2的控制信号为PWM2，所述使能信号用于控制输出电压在正负半周内切换，在四个所述主开关管的一个开关周期内，分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述第一区域和所述第三区域为主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的关断状态，所述第二区域为内管Q2、Q3的导通状态和所述第四区域为外管Q1、Q4的导通状态，其中：所述方法包括以下步骤：

判断切换信号发生的区域；

当所述切换信号发生在第一区域、第三区域或所述第四区域时，控制外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制；当所述切换信号发生在第二区域时，则保持主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的状态不变。

一种三电平逆变器，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，该逆变器包括：主开关管Q1、Q2、Q3、Q4和用于控制所述主开关管的控制电路，所述控制电路共发出3个用于控制所述主开关管的控制信号：PWM1、PWM2和作为切换信号的使能信号，控制所述主开关管的通断形成开关周期，其中PWM1与PWM2为互补的信号，其中，Q1、Q4为外管，Q2、Q3为内管，在输出电压正半周内：主开关管Q2常通，主开关管Q4常断，主开关管Q1的控制信号为PWM1，主开关管Q3的控制信号为PWM2；在输出电压负半周内：主开关管Q3常通，主开关管Q1常断，主开关管Q4的控制信号为PWM1，主开关管Q2的控制信号为PWM2，所述使能信号用于控制输出电压在正负半周内切换，在所述四个主开关管的一个开关周期内，分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述第一区域和所述第三区域为主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的关断状态，所述第二区域为内管Q2、Q3的导通状态和所述第四区域为外管Q1、Q4的导通状态，其中：该逆变器还包括：

判断单元，用于判断切换信号发生的区域；

控制单元，用于根据所述判断单元的判断结果控制所述主开关管的通断，具体包括：当所述切换信号发生在第一区域、第三区域和所述第四区域时，控制三电平的四个主开关管的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制；

当所述切换信号发生在第二区域时，所述控制单元还用于保持主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的状态不变。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过控制发波逻辑，将切换过程分成四个不同区域，在不同区域内分别对主开关管Q1、Q2、Q3和Q4进行逻辑控制，通过该逻辑控制，在三电平逆变器在正负半周切换的过程中，保证了互补的主开关管(Q1与Q3，Q2与Q4)之间死区的时间，避免了主开关管Q2与主开关管Q4，或者主开关管Q1与主开关管Q3同时导通，使逆变桥臂短路，从而导致电路无法正常工作的缺陷，从而保证电路正常稳定工作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有技术提供的单相二极管钳位型三电平逆变器的主电路结构图；

图2现有技术提供的主开关管Q1～Q4的开关控制信号产生原理图；

图3现有技术提供的主开关管Q1～Q4一个切换(开关)周期的波形图；

图4现有技术提供的主开关管正负半周切换信号发生在第一区域的控制逻辑图；

图5为本发明实施例提供的三电平逆变器的主开关管正负半周切换信号发生在第一区域的控制逻辑图；

图6为现有技术提供的三电平逆变器的主开关管正负半周切换信号发生在第二区域的控制逻辑图；

图7为现有技术提供的主开关管正负半周切换信号发生在第三区域的控制逻辑图；

图8为本发明实施例提供的三电平逆变器的主开关管正负半周切换信号发生在第三区域的控制逻辑图；

图9为现有技术提供的主开关管正负半周切换信号发生在第四区域的控制逻辑图；

图10为本发明实施例提供的三电平逆变器的主开关管正负半周切换信号发生在第四区域的控制逻辑图；

图11为本发明实施例提供三电平逆变器过零切换逻辑控制方法流程图；

图12为本发明实施例提供三电平逆变器控制部分的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种三电平逆变器过零切换逻辑控制方法，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，如图2所示，在四个所述主开关管的一个开关周期内，分为第一区域(I区域)、第二区域(II区域)、第三区域(III区域)和第四区域(IV区域)，所述第一区域和所述第三区域为主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的关断状态(在所有附图中表示为：低电平)，所述第二区域为内管Q2、Q3的导通状态和所述第四区域为外管Q1、Q4的导通状态(在所有附图中表示为：高电平)，如图11所示，所述方法包括步骤：

101、判断切换信号发生的区域；

先是判断，并确定切换信号(即正负半周切换信号、EN，也叫做：使能信号))发生的区域，因为切换信号有可能发生在第一区域，也有可能在第二区域、第三区域或者第四区域。

102、如果所述切换信号发生在第一区域、第三区域或所述第四区域时，控制三电平逆变器的四个开关管中的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制。具体为：

为了避免发生主开关管Q2导通和主开关管Q4关断死区时间由设定的td减小为td1，td1时间可能会非常小，过小的死区时间可能会导致主开关管Q2、Q4同时导通，从而导致桥臂直通短路的情况，对切换信号发生在I区域的时候需要进行如下控制：当切换逻辑发生在I区内时，三电平逆变器的四个开关管中的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制。按该方法控制后的逻辑如图5所示，从图5可看到，控制后的逻辑为主开关管Q2的驱动信号和Q4的驱动信号波形之间保持原来的死区时间td，从而保证该三电平逆变器的正常工作。

当切换信号发生在II区域内时会出现如图6的状况，按照原发波逻辑，主开关管Q2的驱动信号和主开关管Q4的驱动信号波形之间死区为td，此状态下保持主开关管Q1、Q4、Q2、Q3原有的导通或者关断状态不变。

在现有技术中，由于当切换信号发生在III区域内时，主开关管Q1导通和主开关管Q3关断死区时间由设定的td减小为td2，td2时间可能会非常小，过小的死区时间可能会导致内管Q1、Q3同时导通，从而导致桥臂直通短路。因此，为了避免发生该情况，对发生在III区域的情况需要进行控制，控制方法与在I区域相同，即：当切换信号发生在III区域内时，三电平逆变器中的四个主开关管中的外管Q1、Q4切换到关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变.，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑进行控制。控制后的控制逻辑如图8所示，控制后内管Q1、Q3的驱动信号波形死区时间为td，保证三电平逆变桥臂正常工作。

同理，现有技术中的切换信号发生在IV区域内时，开关管Q4关断与开关管Q2开通之间驱动信号死区为零，逆变桥臂极易短路，当切换信号发生在IV区域内时，三电平逆变器中的四个开关管中的外管Q1、Q4切换到关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变。控制后控制逻辑如图10所示，外管Q2与Q4的驱动信号死区时间由td增大为td3，从而保证三电平逆变桥臂正常工作。

另外，本发明实施例还提供一种三电平逆变器，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，该逆变器包括：主开关管Q1、Q2、Q3、Q4，其中，Q1、Q4为外管，Q2、Q3为内管，在所述四个开关管的一个开关周期内，分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述第一区域和所述第三区域为关断状态，所述第二区域和所述第四区域为导通平状态，如图12所示，该逆变器还包括：

判断单元201，用于判断切换信号发生的区域；

控制单元202，用于根据所述判断单元201的判断结果控制所述主开关管的通断，具体包括：：如果所述切换信号发生在第一区域、第三区域和所述第四区域时，控制三电平的四个开关管的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制。

所述控制单元202，还用于：当所述切换信号发生在第二区域，则保持主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的状态不变。

该实施例提供的逆变器通过控制发波逻辑，将切换过程分成四个不同区域，在不同区域内分别对主开关管Q1、Q2、Q3和Q4进行逻辑控制，通过该逻辑控制，在三电平逆变器在正负半周切换的过程中，保证了互补主开关管(Q1与Q3，Q2与Q4)之间死区的时间，避免了主开关管Q2与主开关管Q4，或者主开关管Q1与主开关管Q3同时导通，使逆变桥臂短路，从而导致电路无法正常工作的缺陷，从而保证电路正常稳定工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三电平逆变器过零切换逻辑控制方法，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，该逆变器包括：主开关管Q1、Q2、Q3、Q4和用于控制所述主开关管的控制电路，所述控制电路共发出3个用于控制所述主开关管的控制信号：PWM1、PWM2和作为切换信号的使能信号，控制所述主开关管的通断形成开关周期，其中PWM1与PWM2为互补的信号，其中，Q1、Q4为外管，Q2、Q3为内管，在输出电压正半周内：主开关管Q2常通，主开关管Q4常断，主开关管Q1的控制信号为PWM1，主开关管Q3的控制信号为PWM2；在输出电压负半周内：主开关管Q3常通，主开关管Q1常断，主开关管Q4的控制信号为PWM1，主开关管Q2的控制信号为PWM2，所述使能信号用于控制输出电压在正负半周内切换，在四个所述主开关管的一个开关周期内，分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述第一区域和所述第三区域为主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的关断状态，所述第二区域为内管Q2、Q3的导通状态和所述第四区域为外管Q1、Q4的导通状态，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

判断切换信号发生的区域；

当所述切换信号发生在第一区域、第三区域或所述第四区域时，控制外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制；当所述切换信号发生在第二区域时，则保持主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的状态不变。

2.一种三电平逆变器，所述三电平逆变器为单相二极管钳位三电平逆变器，该逆变器包括：主开关管Q1、Q2、Q3、Q4和用于控制所述主开关管的控制电路，所述控制电路共发出3个用于控制所述主开关管的控制信号：PWM1、PWM2和作为切换信号的使能信号，控制所述主开关管的通断形成开关周期，其中PWM1与PWM2为互补的信号，其中，Q1、Q4为外管，Q2、Q3为内管，在输出电压正半周内：主开关管Q2常通，主开关管Q4常断，主开关管Q1的控制信号为PWM1，主开关管Q3的控制信号为PWM2；在输出电压负半周内：主开关管Q3常通，主开关管Q1常断，主开关管Q4的控制信号为PWM1，主开关管Q2的控制信号为PWM2，所述使能信号用于控制输出电压在正负半周内切换，在所述四个主开关管的一个开关周期内，分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，所述第一区域和所述第三区域为主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的关断状态，所述第二区域为内管Q2、Q3的导通状态和所述第四区域为外管Q1、Q4的导通状态，其特征在于，该逆变器还包括：

判断单元，用于判断切换信号发生的区域；

控制单元，用于根据所述判断单元的判断结果控制所述主开关管的通断，具体包括：当所述切换信号发生在第一区域、第三区域和所述第四区域时，控制三电平的四个主开关管的外管Q1、Q4处于关闭状态，内管Q2、Q3保持切换前的状态不变，直到PWM2为高电平后再按原发波逻辑控制；

当所述切换信号发生在第二区域时，所述控制单元还用于保持主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的状态不变。

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