多电平逆变器与SVPWM
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• 2000年，Fang Z.Peng提出了一种通用式多电平逆变器的主电路结构。
• 1988年，M.Marchesoni等人提出了级联式多电平逆变器。 • 2000年，M.D.Manjrekan等人提出了FBI（单相全桥逆变单元）串联式
逆变器。
5
1.背景
NPC
FC
CHB
与调多
SVM
使制电
√
√
√
用方平
tri = 2
24
矢量作用时间计算程序：
其中， ta,tb,tc为a,b,c三相在一个周 期T内的总作用时间。
准备
N
tri==1
Y
ta = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2) tb = 2*k*ts*sin(thi2) tc = ts-ta-tb
N tri==2
Y
ta = ts*(1-2*k*sin(thi2)) tb = 2*k*ts*sin(thi2+3.1415926/3) tc = ts-ta-tb
作用时间 ta/4 tb/2 tc/2 ta/2 tc/2 tb/2 ta/4
20
SVPWM程序分析及流程图
SVPWM程序流程图：
参考电压转换 （abc-αβ）
大扇区判断
小扇区判断
脉冲序列生成
矢量作用时间 计算
21
大扇区判断程序： 其中， k为调制系数 Si为大扇区序号
初始化
Ur=sqrt(ua^2+ub^2)， k=2*ur/ud/sqrt(3.0)，thi1=acos(ua/ur)
LS-PWM
√
√
-
范式的 围
PS-PWM
×
√
√
Hybrid
×
×
√
Modulation
SHE
√
√
√
SVC
-
√
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
√
NLC
-
√
√
√ ： 适合/推荐使用 - ： 不适合/不推荐
× ：不适合
6
多电平技术背景 三电平基础 SVPWM
7
下图为中点箝位三电平逆变的拓扑结构。以输出 A 相电压为例，分析图 示中点箝位三电平逆变电路的工作原理。
• 空间矢量调制的最初目的是使电机获得圆形旋转磁场，现在空间矢量 调制已经发展成为和SPWM并行的一种变换器PWM调制技术。因为三 相变换器的负载各式各样，并不一定存在像电机负载那样对称的分布 的三相绕组，所以对于普遍意义上的空间矢量调制方法，空间一词仅 具有数学上的意义，无实际物理意义。普遍意义上的电压空间矢量方 法是从数学角度出发，将三相交换器的各相电压定义在互差120。的 平面坐标系上，并将三相输出电压转换到复平面上合成空间矢量。 空间电压矢量可做如下定义：
13
• 对于三电平逆变器拓扑前己分析每相具有三种开关状态，因此三相三 电平输出电路就可以得到3^3=27种开关组合，对应27组不同的开关状 态组合，可以画出三相三电平的空间矢量分布图，如下图所示：
14
• 空间电压矢量分为四类：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。其中， 小矢量的幅值为Vd/3，中矢量的幅值(3^0.5)Vd/3，大矢量的幅值为 Vd/3 。
三电平逆变器与SVPWM
指导老师：查晓明 演讲人：王启盛
1
目录
多电平技术背景 三电平技术基础 SVPWM
2
多电平技术背景 三电平技术基础 SVPWM
3
1.背景
成熟半导 体技术
采用中小功率半 导体器件
大功率电力电
子领域的两个 方向
采用
新型高压大功率 器件
开发中的
半导体技 术
NPC（二极 管箝位型）
多电平技术背景 三电平基础 SVPWM
12
SVPWM
• 三电平逆变器的关键技术之一是PWM控制信号的发生。而三电平空 间矢量调制算法比之于其他PWM算法具有较高电压利用率，较小的 输出谐波分量，更易于数字化实现且更适合向多电平应用中拓展等优 点，因此三电平SVPWM控制算法一直以来都是三电平逆变器研究的 热点。以下主要对三电平SVPWM控制的基本原理做一些简要介绍。
谢谢！
26
23
小扇区判断程序： 其中， k为调制系数 tri为小扇区序号
准备
Y Ur=0
N 2*k*sin(thi2+3.1415926/3) <= 1
tri = 1 Y
N
Y 2*k*sin(thi2-3.1415926/3) <= -1
N
Y 2*k*sin(thi2) > 1
N
tri = 1 tri = 4 tri = 3
✓ 为了减少开关次数，降低开关损耗，从一个开关状态切换到下一个开 关状态时，三相桥臂只有一相有开关动作；
✓ 同时为了消除偶次谐波，控制实现的方便，在一个开关周期内，开关 矢量的选择是对称的。
19
SVPWM的脉冲序列生成方案
所选取的向量合成方案如下表：
作用顺序 1 2 3 4 5 6 7
开关状态 onn oon ooo poo ooo oon onn
FC（飞跨电 容）
CHB（级联 多电平）
经典两电平 结构
4
1.背景
• 1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Kira Nabae）等人在IEEE工 业应用年会上提出了NPC（二极管中性点箝位式）三电平逆变器主电 路的结构
• 1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch，提出了FC（飞跨电容箝位式） 多电平逆变器。
8
• ⅰ 当 s1，s2 开关管导通，s3, s4开关管关断时，如果电流为正，电流流过开 关管 s1, s2，忽略管压降，该相输出端电压U=Udc/2；如负载电流为负，电流 流过与开关管 s1, s2 并联的续流二极管，则该相输出端电压是 U=Udc/2，
P 此时称 A 相的状态为 9
• ⅱ 当 s2, s3 开关管导通，s1, s4 开关管关断时，如果负载电流为正，电流流 过箝位二极管 Dz1、开关管 s2，此时该相输出端电压 U=0；如果负载电流为 负，电流流过开关管 s3，再流过箝位二极管 Dz2，则该相输出端电压是 U=0，
16
• 将每个矢量在α－β坐标轴上进行分解，可解得：
17
• 同理，当 在其他区域时，同样可以用伏秒平衡来求出合成参考电压 矢量的空间电压矢量的作用时间。
18
SVPWM的脉冲序列生成方案
• 脉冲序列的生成应遵循以下原则：
✓ 为了保证每个桥臂只能同时有两个开关器件开通，要求在一个控制周 期内，相邻的每相开关状态不能突变，即不允许存在从“1”开关状态 到“-1”开关状态的直接切换；
• 三电平逆变器的27个矢量远多于两电平逆变器的8个矢量，矢量选择 范围的拓展使得合成时过渡更自然，输出能更好地逼近正弦波，所含 谐波分量更少，获得更好的性能。
• 扇区的划分：
• 为便于分析，我们把整个矢量区域分成 6个大扇区，每个大扇区分为 4个小扇区。
15
SVPWM合成算法（以A相为例）
由伏秒平衡有：
Y ur=0？ N
Y Ur>0？
si=1 si=(3*thi1/3.1415926)+1
si=7-(3*thi1/3.1415926)
22
小扇区判断程序（预处理部分）：
准备
Y Si<=3
N
thi2=thi1-(si-1)*3.1415926/3
thi2 = thi1-(6-si)*3.1415926/3
tri==3
Y ta = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2) tb = 2*k*ts*sin(thi2)-$ts tc = ts-ta-tb
ta = 2*k*ts*sin(thi2)
tb = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2)-ts
25
tc = ts-ta-tb
O 此时称 A 相的状态为
10
• ⅲ 当 s3，s4 开关管导通，s1, s2开关管关断时，如果负载电流为正，电流流 过开关管 s3, s4；该相输出端电压 U = -Udc/2；如果负载电流为负，电流流过 与开关管s3, s4 并联的续流二极管，则该相输出端电压是 U= -Udc/2，
N 此时称 A相的状态为 11
• 1988年，M.Marchesoni等人提出了级联式多电平逆变器。 • 2000年，M.D.Manjrekan等人提出了FBI（单相全桥逆变单元）串联式
逆变器。
5
1.背景
NPC
FC
CHB
与调多
SVM
使制电
√
√
√
用方平
tri = 2
24
矢量作用时间计算程序：
其中， ta,tb,tc为a,b,c三相在一个周 期T内的总作用时间。
准备
N
tri==1
Y
ta = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2) tb = 2*k*ts*sin(thi2) tc = ts-ta-tb
N tri==2
Y
ta = ts*(1-2*k*sin(thi2)) tb = 2*k*ts*sin(thi2+3.1415926/3) tc = ts-ta-tb
作用时间 ta/4 tb/2 tc/2 ta/2 tc/2 tb/2 ta/4
20
SVPWM程序分析及流程图
SVPWM程序流程图：
参考电压转换 （abc-αβ）
大扇区判断
小扇区判断
脉冲序列生成
矢量作用时间 计算
21
大扇区判断程序： 其中， k为调制系数 Si为大扇区序号
初始化
Ur=sqrt(ua^2+ub^2)， k=2*ur/ud/sqrt(3.0)，thi1=acos(ua/ur)
LS-PWM
√
√
-
范式的 围
PS-PWM
×
√
√
Hybrid
×
×
√
Modulation
SHE
√
√
√
SVC
-
√
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
√
NLC
-
√
√
√ ： 适合/推荐使用 - ： 不适合/不推荐
× ：不适合
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多电平技术背景 三电平基础 SVPWM
7
下图为中点箝位三电平逆变的拓扑结构。以输出 A 相电压为例，分析图 示中点箝位三电平逆变电路的工作原理。
• 空间矢量调制的最初目的是使电机获得圆形旋转磁场，现在空间矢量 调制已经发展成为和SPWM并行的一种变换器PWM调制技术。因为三 相变换器的负载各式各样，并不一定存在像电机负载那样对称的分布 的三相绕组，所以对于普遍意义上的空间矢量调制方法，空间一词仅 具有数学上的意义，无实际物理意义。普遍意义上的电压空间矢量方 法是从数学角度出发，将三相交换器的各相电压定义在互差120。的 平面坐标系上，并将三相输出电压转换到复平面上合成空间矢量。 空间电压矢量可做如下定义：
13
• 对于三电平逆变器拓扑前己分析每相具有三种开关状态，因此三相三 电平输出电路就可以得到3^3=27种开关组合，对应27组不同的开关状 态组合，可以画出三相三电平的空间矢量分布图，如下图所示：
14
• 空间电压矢量分为四类：零矢量、小矢量、中矢量、大矢量。其中， 小矢量的幅值为Vd/3，中矢量的幅值(3^0.5)Vd/3，大矢量的幅值为 Vd/3 。
三电平逆变器与SVPWM
指导老师：查晓明 演讲人：王启盛
1
目录
多电平技术背景 三电平技术基础 SVPWM
2
多电平技术背景 三电平技术基础 SVPWM
3
1.背景
成熟半导 体技术
采用中小功率半 导体器件
大功率电力电
子领域的两个 方向
采用
新型高压大功率 器件
开发中的
半导体技 术
NPC（二极 管箝位型）
多电平技术背景 三电平基础 SVPWM
12
SVPWM
• 三电平逆变器的关键技术之一是PWM控制信号的发生。而三电平空 间矢量调制算法比之于其他PWM算法具有较高电压利用率，较小的 输出谐波分量，更易于数字化实现且更适合向多电平应用中拓展等优 点，因此三电平SVPWM控制算法一直以来都是三电平逆变器研究的 热点。以下主要对三电平SVPWM控制的基本原理做一些简要介绍。
谢谢！
26
23
小扇区判断程序： 其中， k为调制系数 tri为小扇区序号
准备
Y Ur=0
N 2*k*sin(thi2+3.1415926/3) <= 1
tri = 1 Y
N
Y 2*k*sin(thi2-3.1415926/3) <= -1
N
Y 2*k*sin(thi2) > 1
N
tri = 1 tri = 4 tri = 3
✓ 为了减少开关次数，降低开关损耗，从一个开关状态切换到下一个开 关状态时，三相桥臂只有一相有开关动作；
✓ 同时为了消除偶次谐波，控制实现的方便，在一个开关周期内，开关 矢量的选择是对称的。
19
SVPWM的脉冲序列生成方案
所选取的向量合成方案如下表：
作用顺序 1 2 3 4 5 6 7
开关状态 onn oon ooo poo ooo oon onn
FC（飞跨电 容）
CHB（级联 多电平）
经典两电平 结构
4
1.背景
• 1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Kira Nabae）等人在IEEE工 业应用年会上提出了NPC（二极管中性点箝位式）三电平逆变器主电 路的结构
• 1992年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch，提出了FC（飞跨电容箝位式） 多电平逆变器。
8
• ⅰ 当 s1，s2 开关管导通，s3, s4开关管关断时，如果电流为正，电流流过开 关管 s1, s2，忽略管压降，该相输出端电压U=Udc/2；如负载电流为负，电流 流过与开关管 s1, s2 并联的续流二极管，则该相输出端电压是 U=Udc/2，
P 此时称 A 相的状态为 9
• ⅱ 当 s2, s3 开关管导通，s1, s4 开关管关断时，如果负载电流为正，电流流 过箝位二极管 Dz1、开关管 s2，此时该相输出端电压 U=0；如果负载电流为 负，电流流过开关管 s3，再流过箝位二极管 Dz2，则该相输出端电压是 U=0，
16
• 将每个矢量在α－β坐标轴上进行分解，可解得：
17
• 同理，当 在其他区域时，同样可以用伏秒平衡来求出合成参考电压 矢量的空间电压矢量的作用时间。
18
SVPWM的脉冲序列生成方案
• 脉冲序列的生成应遵循以下原则：
✓ 为了保证每个桥臂只能同时有两个开关器件开通，要求在一个控制周 期内，相邻的每相开关状态不能突变，即不允许存在从“1”开关状态 到“-1”开关状态的直接切换；
• 三电平逆变器的27个矢量远多于两电平逆变器的8个矢量，矢量选择 范围的拓展使得合成时过渡更自然，输出能更好地逼近正弦波，所含 谐波分量更少，获得更好的性能。
• 扇区的划分：
• 为便于分析，我们把整个矢量区域分成 6个大扇区，每个大扇区分为 4个小扇区。
15
SVPWM合成算法（以A相为例）
由伏秒平衡有：
Y ur=0？ N
Y Ur>0？
si=1 si=(3*thi1/3.1415926)+1
si=7-(3*thi1/3.1415926)
22
小扇区判断程序（预处理部分）：
准备
Y Si<=3
N
thi2=thi1-(si-1)*3.1415926/3
thi2 = thi1-(6-si)*3.1415926/3
tri==3
Y ta = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2) tb = 2*k*ts*sin(thi2)-$ts tc = ts-ta-tb
ta = 2*k*ts*sin(thi2)
tb = 2*k*ts*sin(3.1415926/3-thi2)-ts
25
tc = ts-ta-tb
O 此时称 A 相的状态为
10
• ⅲ 当 s3，s4 开关管导通，s1, s2开关管关断时，如果负载电流为正，电流流 过开关管 s3, s4；该相输出端电压 U = -Udc/2；如果负载电流为负，电流流过 与开关管s3, s4 并联的续流二极管，则该相输出端电压是 U= -Udc/2，
N 此时称 A相的状态为 11