对称CHB逆变IPD优化调制技术的优化策略

由上述内容可知，同等条件下IPD 调制法的输出电压波形谐波特性最优，但其每个单元开关管的开关频率不同会导致各个单元开关损耗和发热分布不均匀，影响系统的使用寿命和可靠性，同时由于各个单元的输出功率不均衡的问题也导致了逆变器的直流电源利用率不一致、充放电不平衡问题[68]。

在IPD 调制策略下对称CHB 七电平逆变器每个级联单元输出有功功率与它们输出电压的基波幅值成正比，根据双傅立叶分析可以得到三个级联单元输出电压基波幅值分别为[68]：

图2-7 给出了在IPD 调制策略下，各级联单元输出电压基波幅值与调制度M 之间的变化曲线。由图可见，在全调制度下各级联单元输出电压的基波幅值都是不相同的，而且随着调制度的变化呈非线性变化，这就是导致各级联单元输出功率无法保持均衡的根本原因。

针对这一问题，本章首先提出了一种优化方法，然后结合脉冲循环的控制方法分别对IPD 调制法进行了二次优化，在等效开关频率相同的情况下使得每个单元的开关管最高工作频率降为原来的 1/2，该方法具有降低了开关损耗，所有开关管的工作频率一致，散热分布均匀，各单元的输出功率均衡，保留了的IPD 调制法输出波形质量优的特点。

图2-7　IPD 调制下各电压基波幅值随M 变化曲线

CHB 逆变器二次优化PWM 调制技术的思想是首先对调制波进行调整，设IPD 调制法三角载波幅值为1，则调整后的调制波 vm的表达式为[69]：

调整原理如图2-8 所示，由于采用了类似单极倍频的优化调制方法，在对调制波进行调整的同时，三角载波的数量也由原来的6 个变成了1 个，新的三角载波vc的幅值为2，频率为原来的1/2。

图2-8　调制波调整原理

图2-9 所示为一次优化后的调制原理图。当调制波vm＞vc时，单元1 左桥臂开关管S11导通；-vm＞vc时，单元1 右桥臂开关管S12导通；初始调制波vref＞2 时，单元2 左桥臂开关管S21导通；vref＜2 时，单元2 右桥臂S22导通；初始调制波vref＞1 时，单元3 左桥臂开关管S31导通；vref＜1 时，单元3右桥臂开关管S32导通。(www.xing528.com)

图2-9　一次优化IPD 调制原理

由图 2-9 可以看出，一次优化调制前后逆变器的输出电压波形与图 2-8基本保持一致，由于载波频率降为了原来的 1/2，开关管的最高工作频率降低了一半，逆变器的总等效开关频率不变，每个单元4 个开关管的开关频率一致。与传统IPD 调制法相比，该优化调制方法只需一个三角载波和两个调制波即可实现七电平相电压输出，减少了三角载波的数量，简化了控制的复杂度。但是该调制方法由于只有单元H1 采用了载波调制，单元H2 和单元H3 均采用了阶梯波调制，因此存在各开关管开关损耗分布不均匀和各个单元输出功率不均衡的问题。

为进一步均衡各个单元的开关频率和输出功率，本章在一次优化调制策略的基础上，提出了一种基于1/4 周期脉冲信号轮换的功率均衡控制方法，其调制原理如图2-10 所示[69]。

在图2-10 中，将每个输出周期以1/4 周期为单位分为了4 个区域，每个区域采用3 种不同的调制方式分别进行循环调制，3 种调制方式分别为：

方式a：调制波vm＞vc时，S11导通，-vm＞vc时，S12导通，否则关断；初始调制波vref＞2 时，S21导通，vref＜2 时，S22导通，否则关断；vref＞1 时，S31导通，vref＜1 时，S32导通，否则关断。

方式b：初始调制波vref＞1 时，S11导通，vref＜1 时，S12导通，否则关断；调制波vm＞vc时，S21导通，-vm＞ vc时，S22导通，否则关断；初始调制波vref＞2 时，S31导通，vref＜2 时，S32导通，否则关断。

方式c：初始调制波vref＞2 时，S11导通，vref＜2 时，S12导通，vref＞1 时，S21导通，vref＜1 时，S22导通，否则关断；调制波vm＞vc时，S31导通，-vm＞vc时，S32导通，否则关断。

图2-10　二次优化IPD 调整原理

从图2-10 中可以看出，各个区域内的调制波vm互相对称，因此当载波频率远高于调制波频率时，各个区域内的调制波经载波调制后所产生的脉冲信号和输出电压脉宽将趋于一致。假设采用方式a 进行调制时逆变器的3 个H 桥单元的脉冲信号分别为SP1、SP2、SP3，则方式b 中3 个H 桥单元的脉冲信号分别为SP3、SP1、SP2，方式c 中3 个H 桥单元的脉冲信号分别为SP2、SP3、SP1。设逆变器采用脉冲信号SP1、SP2、SP3时对应的输出电压分别为EP1、EP2、EP3，当逆变器各个单元以a-b-c 的方式进行循环调制时，则经过3/4 个周期后各个单元输出电压可表示为：

根据式（2-5）可得，经过3/4 个周期后各个单元的输出电压uo1＝uo2＝uo3，输出电压达到一致。因此，二次优化IPD 调制策略能够有效均衡各个单元的输出功率和所有开关管的开关频率，开关管最高开关频率降为原来的 1/2，提高了系统的使用寿命和可靠性。