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中图分类号：[H085.6] 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0057-02
引言近年来基于全控型电力电子器件的PWM变换器正向高压大功率应用领域拓展，多电平功率变换技术是其研究的核心和热点问题本文设计了一套基于DSP控制的四单元级联式多电平逆变器的硬件平台，主要完成以下工作：（1）从构成多电平变换电路的基本逆变功率单元入手，分析級联型多电平功率变换电路工作原理。（2）完成了四单元级联式多电平逆变器的整体方案及硬件系统设计。（3）采用TMS320F2812的DSP芯片为核心控制器，针对设计的级联式多电平逆变器，采用二重化和载波相PWM控制相合的方法实现了两单元级联逆变器的控制。
一、单元级联型多电平逆变器的工作原理
多电平变换电路的基本原理是将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，一般来说，电平数越多，其分辨率越高，输出电压波形越逼近正弦波。级联多电平电压型逆变器是将多个两电平电压型逆变器串联起来，组成一个功率模块，通过向量合成每个变换器的输出电压形成多电平波形。
多电平功率变换装置主要由进行功率变换的主电路以及驱动、控制、保护等电路构成。本论文设计的四单元级联九电平逆变器，单元主电路采用由MOS管构成的单相全桥结构，直流电源由二极管构成的三相不可控整流电路整流后经大容量电容滤波后得到，不可控整流电路的交流输入电源由多绕组移相变压器供给，系统结构如图1.1所示。
每功率单元主要由三相全波不可控整流电路、直流输出滤波电容、H桥逆变电路构成。
二、移相整流变压器
通常采用三相不控整流电路整流后经大容量电容滤波作为单元功率电路的直流电源，这种方式存在一定的缺点，由于四单元级联多电平逆变器需要四个独立的直流电源，采用移相变压器构成多相整流电源，既可以满足向多个逆变单元提供电源的目的，同时可以减小输入电流的畸变率，提高输入功率因数，减小整流输出电压的纹波。采用这种措施不需要附加专用的输入滤波器和功率因数校正电路。
为了满足四单元级联九电平逆变器的需要，本论文设计了一个移相15°的12相移相变压器。
本设计的移相15°、12相移相变压器二次侧绕组所采用的延边三角形接法，其基本原理与相量合成原理是一样的，可以将三角形绕组等效为星型接法，其相量合成关系如图2.1所示，每相输出线电压之间相互移相15°。
三、多电平逆变器的控制技术
1、三角载波移相PWM法
三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的PWM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波的等效开关频率提高，因此可在不提高开关频率的条件下减小输出谐波。
N单元级联多电平逆变器，对于同一相级联的功率单元，参考波相同，两个相邻的功率单元载波之间的相位差为：
θ=180°/N
假设每个单元的三角载波的频率fc是正弦调制波频率的Pf倍，则N单元级联多电平逆变器相应的输出SPWM波的等效载波频率为fec=2Nfc 。
对于单相全桥的基本功率单元，由两列相互反相的三角波作为载波，分别与正弦调制波相比较，正组三角载波比较结果对应于左桥臂，反组三角载波比较结果对应于右桥臂。如果参考调制波大于正组载波，逆变功率单元左桥臂输出电压为正，否则左桥臂输出电压为零。对于右桥臂的控制规则恰恰相反，如果参考调制波小于反组载波，逆变功率单元右桥臂输出电压为正，否则输出电压为零。每一功率单元的输出电压是左右两桥臂输出电压之差。
2、TMS320F2812控制器
TMS320F2812是工业界首批32位的控制专用、内含闪存、速度高达150MIPS的数字信号处理器，专门为工业自动化、电机控制等应用而设计。
本设计采用北京合众达电子技术有限公司开发的硬件系统SEED-DEC2812作控制平台，主要集成了TMS320F2812嵌入式DSP，SRAM，A/D，PWM，DRAT，CAN，USB，D/A和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设；提供看门狗电路、电源复位、上电复位、手动复位、系统可靠、稳定；标准的JTAG接口，方便调试；标准化的扩展总线；模板尺寸为3U工业标准。
使用二重化PWM控制方法，采用规则采样法，在F2812平台下设计的两单元级联多电平逆变器的PWM控制程序的流程图如图3.1所示。
程序设计中，采用通用定时器T1和T3分别作为两个H桥逆变功率单元PWM产生电路的时基，根据载波周期值，设置T1和T3的计数寄存器的初始值相差二分之一个载波周期的计数值，这样就可以使T1和T3产生的三角波载波相互之间移相90o。在通用定时器的下溢中断服务子程序中计算更新相应的比较寄存器的值，就可以在PWM输出引脚得到需要的PWM波形。定时器T3的下溢中断服务子程序和T1的基本相同，只是不必重新计算相应的PWM脉冲计数值，直接将T1下溢中断服务子程序中计算得到的PWM脉冲计数值赋给相应的比较寄存器即可。
引言近年来基于全控型电力电子器件的PWM变换器正向高压大功率应用领域拓展，多电平功率变换技术是其研究的核心和热点问题本文设计了一套基于DSP控制的四单元级联式多电平逆变器的硬件平台，主要完成以下工作：（1）从构成多电平变换电路的基本逆变功率单元入手，分析級联型多电平功率变换电路工作原理。（2）完成了四单元级联式多电平逆变器的整体方案及硬件系统设计。（3）采用TMS320F2812的DSP芯片为核心控制器，针对设计的级联式多电平逆变器，采用二重化和载波相PWM控制相合的方法实现了两单元级联逆变器的控制。
一、单元级联型多电平逆变器的工作原理
多电平变换电路的基本原理是将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，一般来说，电平数越多，其分辨率越高，输出电压波形越逼近正弦波。级联多电平电压型逆变器是将多个两电平电压型逆变器串联起来，组成一个功率模块，通过向量合成每个变换器的输出电压形成多电平波形。
多电平功率变换装置主要由进行功率变换的主电路以及驱动、控制、保护等电路构成。本论文设计的四单元级联九电平逆变器，单元主电路采用由MOS管构成的单相全桥结构，直流电源由二极管构成的三相不可控整流电路整流后经大容量电容滤波后得到，不可控整流电路的交流输入电源由多绕组移相变压器供给，系统结构如图1.1所示。
每功率单元主要由三相全波不可控整流电路、直流输出滤波电容、H桥逆变电路构成。
二、移相整流变压器
通常采用三相不控整流电路整流后经大容量电容滤波作为单元功率电路的直流电源，这种方式存在一定的缺点，由于四单元级联多电平逆变器需要四个独立的直流电源，采用移相变压器构成多相整流电源，既可以满足向多个逆变单元提供电源的目的，同时可以减小输入电流的畸变率，提高输入功率因数，减小整流输出电压的纹波。采用这种措施不需要附加专用的输入滤波器和功率因数校正电路。
为了满足四单元级联九电平逆变器的需要，本论文设计了一个移相15°的12相移相变压器。
本设计的移相15°、12相移相变压器二次侧绕组所采用的延边三角形接法，其基本原理与相量合成原理是一样的，可以将三角形绕组等效为星型接法，其相量合成关系如图2.1所示，每相输出线电压之间相互移相15°。
三、多电平逆变器的控制技术
1、三角载波移相PWM法
三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的PWM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波的等效开关频率提高，因此可在不提高开关频率的条件下减小输出谐波。
N单元级联多电平逆变器，对于同一相级联的功率单元，参考波相同，两个相邻的功率单元载波之间的相位差为：
θ=180°/N
假设每个单元的三角载波的频率fc是正弦调制波频率的Pf倍，则N单元级联多电平逆变器相应的输出SPWM波的等效载波频率为fec=2Nfc 。
对于单相全桥的基本功率单元，由两列相互反相的三角波作为载波，分别与正弦调制波相比较，正组三角载波比较结果对应于左桥臂，反组三角载波比较结果对应于右桥臂。如果参考调制波大于正组载波，逆变功率单元左桥臂输出电压为正，否则左桥臂输出电压为零。对于右桥臂的控制规则恰恰相反，如果参考调制波小于反组载波，逆变功率单元右桥臂输出电压为正，否则输出电压为零。每一功率单元的输出电压是左右两桥臂输出电压之差。
2、TMS320F2812控制器
TMS320F2812是工业界首批32位的控制专用、内含闪存、速度高达150MIPS的数字信号处理器，专门为工业自动化、电机控制等应用而设计。
本设计采用北京合众达电子技术有限公司开发的硬件系统SEED-DEC2812作控制平台，主要集成了TMS320F2812嵌入式DSP，SRAM，A/D，PWM，DRAT，CAN，USB，D/A和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设；提供看门狗电路、电源复位、上电复位、手动复位、系统可靠、稳定；标准的JTAG接口，方便调试；标准化的扩展总线；模板尺寸为3U工业标准。
使用二重化PWM控制方法，采用规则采样法，在F2812平台下设计的两单元级联多电平逆变器的PWM控制程序的流程图如图3.1所示。
程序设计中，采用通用定时器T1和T3分别作为两个H桥逆变功率单元PWM产生电路的时基，根据载波周期值，设置T1和T3的计数寄存器的初始值相差二分之一个载波周期的计数值，这样就可以使T1和T3产生的三角波载波相互之间移相90o。在通用定时器的下溢中断服务子程序中计算更新相应的比较寄存器的值，就可以在PWM输出引脚得到需要的PWM波形。定时器T3的下溢中断服务子程序和T1的基本相同，只是不必重新计算相应的PWM脉冲计数值，直接将T1下溢中断服务子程序中计算得到的PWM脉冲计数值赋给相应的比较寄存器即可。