四开关三相逆变器的pwm脉冲生成方式

屠黎俊，孙培德，刘晓洁

  (东华大学，上海201620)

    摘要：研究四开关三相逆变器电路，对pwm脉冲信号生成方式进行了分析．采用四个基本矢量控制的空间矢量控制方案，通过选取三个或四个基本矢量合成等组合方式来实现所需的电压输出，并对不同矢量合成组合进行研究。

    关键词：pwm；空间矢量；四开关；三相逆变器

    中图分类号：tm34  文献标识码：a  文章编号：1加4—7018(2009)12—0038—04

0引言   

    三相逆变器的研究是电力电子的重要研究方向，传统的三相逆变器是由三组桥臂、六个开关管组成，其成本较高，所采用的空间矢量控制方式通常是基于六个基本空间矢量合成的。四开关三相逆变器减少了两个开关，以一组电容代替。相应的矢量控制也与传统的控制方式不同，以四个基本矢量来合成，控制简便，成本低廉。华中科技大学对此进行了研究，并引入了双环解耦的控制策略^[1]。浙江大学研究的四开关三相逆变器电路，在矢量合成方式上采用了两个奇矢量和一个偶矢量^[2]。国内文献较少涉及以矢量合成方式作为主要研究对象的。本文主要研究矢量合成的四种方式：(1)两个奇矢量和一个偶矢量；(2)一个奇矢量和两个偶矢量；(3)占不同时间权重的奇矢量和偶矢量合成方式；(4)重新划分扇区后的新型矢量合成方式。四开关三相逆变器电路结构如图1a所示。

    本文所呈现的pwm脉冲信号控制的四开关三相逆变器，其主要思想是基于空间矢量pwm技术。其基本原理是在一个开关周期内，选取三个或四个基本矢量等不同矢量合成组合方式来实现同一电压输出的目的，并通过一个参数来实现对不同矢量组合要求的控制。

1原理分析

    四开关三相逆变器(以下简称fstpi^[1])电路拓扑结构如图1 a所示，图1b和图lc分别为逆变器负载的y型联结和△型联结，本文主要研究y型负

载。逆变器由四个开关管和两个电容构成。逆变器的开关状态量由四个二进制变量表示，即s1～s4其中二进制数1表示开关闭合，o表示开关断开。开关变量中，s₁、s₃与s₄、s₂两组互补。图1b中各电压关系分别为：v₁="v_a0"-v_no,v₂=v_bo-v_no,v₃=v_co-v_no.得出αβ坐标系下电压表达式[3]：

标系的i～ⅳ区间，如图2所示。矢量v1、v3大小相等，方向相反；v2、v4大小相等，方向相反，其幅值为前者的√3倍。 

     在矢量合成中，合成矢量与时间的乘积等于基本矢量与相应的时间乘积之和。则有如下关系式：

式中：t为开关周期；v为合成参考电压；t₁～t₄分别为基本矢量v₁～v₄在一个开关周期内作用时间。

    从上述方程中仍无法分别解出t₁～t₄，将要求解的四个未知开关矢量转化成三个才能求解。而实际电路所要求解的参数为相邻的两个基本矢量的作用时间以及零矢量的作用时间。在六开关的矢量合成方法中，用相邻的两个基本矢量和零矢量来构成所需的矢量，而在四开关中，没有零矢量，冈此只能通过两个方向相反的矢量作用相等的时间来构成。

    由式(7)、式(8)可知，合成奇矢量v₁、v₃作用时间为t₁₃，偶矢量v₂、v₄作用时间为t24。定义一个开关周期内剩余时间为：δt=t—|t₁₃|-|t₂₄|。定义矢量v₁、v₃在一个开关周期内剩余时间权重为λ(o≤λ≤1)；则矢量v₂、v₄的时间权重为1-λ。在一个开关时间周期内，各扇区基本矢量作用时间计算公式如下^[5]：