【文章內(nèi)容簡介】 源提供能量，電感放電，一直持續(xù)到時刻。模態(tài)3如圖34所示．當時刻，控制回路使，導通，出現(xiàn)與模態(tài)1相同的工作過程。模態(tài)4如圖35所示。當時，關(guān)斷，使繼續(xù)導通，則導通，截止，與模態(tài)2類似，由上邊一個電壓源提供能量，一直持續(xù)到時刻。圖32 圖33 圖34 圖35 可見，在開關(guān)管，和二極管，導通與關(guān)斷期間，分別對應于所示的4個子拓撲。因為在范圍內(nèi)變換器的工作過程與范圍類似，因此，分析討論時考慮半個周期即可。為了建立統(tǒng)一拓撲，在此引入非連續(xù)周期性脈沖函數(shù)。設(shè)周期性脈沖波形如圖36所示。圖36 周期脈沖波形所對應的周期性脈沖波形的數(shù)學表達式為： （31）利用式（31）建立Buck三電平DC—DC變換器的統(tǒng)一拓撲時，應結(jié)合變換器在一個周期里各條支路的變化情況。根據(jù)所示的4個子拓撲，構(gòu)成的負載輸出端結(jié)構(gòu)沒變，只有輸入端電壓源(兩個串聯(lián)的電壓源)在一個周期里發(fā)生了變化。因此，對這兩條支路用f(t)加以處理得到統(tǒng)一拓撲，如圖37所示。統(tǒng)一拓撲是對變換器進行穩(wěn)態(tài)分析和小信號動態(tài)分析的基礎(chǔ)，對于其它拓撲結(jié)構(gòu)的三電平DCDC變換器，可按類似步驟進行處理。圖37 Buck三電平DCDC變換器統(tǒng)一拓撲可寫出其對應的電路方程為： （32）得到式（32）后，可根據(jù)穩(wěn)態(tài)及小信號動態(tài)分析的條件對方程進行相應處理。 穩(wěn)態(tài)分析當變換器在穩(wěn)態(tài)工作時，通常情況下變換器各條支路上的電壓或電流都是一些幅值恒定的周期函數(shù)，但其中有一些是非連續(xù)的。如果變換器是PWM型，此類變換器的最大特點是：電路電感及電容值均足夠大，變換器的工作周期比電路時間常數(shù)小得多。于是，對于PWM型變換器，穩(wěn)態(tài)時的電感電流電容電壓，可近似為大小及方向保持不變的常數(shù)．則對應的穩(wěn)態(tài)方程為： （33）式（33）中，大寫字母表示穩(wěn)態(tài)分量。由于引進了非連續(xù)周期函數(shù)，先對這個函數(shù)作拉氏變換為： （34）根據(jù)變換器的工作周期比電路時間常數(shù)，小得多，即滿足條件，當把，按泰勒級數(shù)展開時，可忽略其二階及二階以上高階項，則： （35）對式33進行拉氏變換，同時將式（34），（35）的結(jié)果代入，可以得到 （36）式(36)即為Buck三電平DC—DC變換器輸出與輸入之間的直流變換關(guān)系式。需要指出，式(35)對，作線性近似處理后的結(jié)果，必須在條件下才能得到，PWM 型變換器通常能滿足這一條件。對于諧振型或準諧振型變換器，由于它們的諧振周期接近于，故對按泰勒級數(shù)展開時不能作線性近似處理。 小信號動態(tài)分析當有小信號擾動時，統(tǒng)一拓撲中各條支路的變量就由穩(wěn)態(tài)分量與小信號動態(tài)分量兩部分組成，即： （37）式(37)中小寫字母加“n”表示小信號分量。將式(37)代入由統(tǒng)一拓撲寫出的電路方程式(32)中，可得： （38）其中同時，結(jié)合式(33)，把穩(wěn)態(tài)分量所組成的方程式分離出后，便可獲得變換器的小信號動態(tài)方程為： （39）為使上式簡化，可再令 采樣函數(shù)的拉氏變換直接對式(38)進行拉氏變換比較困難，因為式中包含有非連續(xù)函數(shù)。為求得系統(tǒng)的頻域模型，必須對小信號變量的采樣函數(shù)進行拉氏變換。開關(guān)變換器本身是一個采樣系統(tǒng)，它的開關(guān)管及二極管呈周期性導通或關(guān)斷。因此，當以開關(guān)周期為采樣周期對小信號變量采樣時，則根據(jù)采樣定理的要求；當小信號變量的頻率。低于開關(guān)頻率一半時，模型能夠滿足工程計算的要求。對于式(39)中各個變量，其采樣情況如圖38所示。據(jù)此，即組成由采樣函數(shù)值而定的脈沖波形，圖38為第n個采樣周期的情況。圖38 小信號函數(shù)的采樣情況圖中每個脈沖波形所圍成的面積實際上等于該小信號采樣值與的乘積在這個周期的積分，所有脈沖之和即為該采樣函數(shù)的拉氏變換。因此，脈沖波形積分法的物理意義是：對一個連續(xù)時間函數(shù)，以它的采樣函數(shù)來代替進行拉氏變換，每一個采樣周期里積分的區(qū)域大小及正負由其函數(shù)的采樣值與脈沖函數(shù)來確定。于是，式(38)，(39)中各個變量的采樣函數(shù)的拉氏變換分別為圖39 采樣函數(shù)組成的脈沖波形 (310)(311)(312)式(310)，(311)，(312)中，即為采樣函數(shù)的拉氏變換。計算中略去了二階小信號分量乘積項。求出各個采樣函數(shù)的拉氏變換后，得： (313)將上式整理成矩陣形式為：(314)對式（314）進行求解，即可得到Buck三電平DCDC變換器的傳遞函數(shù) （315）式(315)便是由脈沖波形積分法獲得的Buck三電平DCDC變換器的小信號頻域模型。由此便可得到系統(tǒng)的幅頻及相頻特性，從而為變換器動態(tài)性能指標的設(shè)計提供參考依據(jù)?；诿}沖波形積分法，按照同樣的步驟可以對其它三電平DCDC變換器進行統(tǒng)一建模。另外，該法也適用于準諧振型變換器和諧振型變換器的建模，只是對變量進行線性近似的處理不同。因此，脈沖波形積分法是一種比較通用的建模方法，可為各類變換器動態(tài)性能指標的設(shè)計及比較提供統(tǒng)一的衡量標準[31]。 本章小結(jié)眾所周知，對變換器進行統(tǒng)一建模是對變換器進行控制和優(yōu)化的基礎(chǔ)，三電平變換器也不例外。但是，對于三電平變換器而言，由于其開關(guān)數(shù)目多，工作模態(tài)復雜，用傳統(tǒng)建模方法對之進行統(tǒng)一建模相當困難。本章用脈沖波形積分法對輸入輸出共地的三電平變換器進行統(tǒng)一建模。脈沖波形積分法通過建立變換器的統(tǒng)一拓撲，對小信號采樣函數(shù)進行拉氏變換，以及按變換器的類型作相應的線性近似處理等三項有效措施，對工作模態(tài)繁多的輸入輸出共地的三電平變換器進行了有效的建模。論文以輸入輸出共地的Buck三電平變換器為例，詳細闡明了其統(tǒng)一建模原理。第4章 PWM控制技術(shù)控制技術(shù)是PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵，近年來，相關(guān)研究緊緊圍繞以下幾方面的要求進行：，即使網(wǎng)側(cè)電流，無畸變且與網(wǎng)側(cè)電壓，同相(或反相)，電網(wǎng)對整流電路只提供有功功率；，以減小對開關(guān)管的損耗，增大其使用壽命；，即要求系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能；，縮小直流側(cè)濾波器體積，減輕重量；，擴大調(diào)制波的控制范圍。 電流控制技術(shù)PWM整流器控制對象是輸入電流和輸出電壓，而電流控制是整個控制系統(tǒng)的核心部分，電流控制的性能決定了整個系統(tǒng)的性能。因而要求電流控制器有較快的瞬態(tài)響應和滿意的穩(wěn)態(tài)特性，在負載有擾動和參考電流變化的情況下，慢的響應可能會導致在瞬態(tài)區(qū)域直流側(cè)電壓不可控。所以，如果出現(xiàn)瞬態(tài)，網(wǎng)側(cè)輸入電流應盡快跟蹤上參考電流。根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量，主要分為間接電流控制和直接電流控制兩種[3235]。間接電流控制又稱“幅相電流控制”，該方案是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方法，通過控制整流器的輸入端電壓，使其為接近正弦波的PWM波形，并和網(wǎng)側(cè)電壓保持一定的幅值和相位，從而達到控制網(wǎng)側(cè)電流波形為正弦，且與網(wǎng)側(cè)電壓同相位。由于其動態(tài)響應較慢，動態(tài)過程中電流存在直流偏置，對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感，因而常用于對動態(tài)響應要求不高且控制結(jié)構(gòu)要求簡單的場合，己逐步被直接電流控制策略取代。直接電流控制是一種通過對網(wǎng)側(cè)電流的直接控制而使其跟蹤給定電流信號的控制方法。在這種控制方法中，通過運算求出網(wǎng)側(cè)電流指令值，再引入網(wǎng)側(cè)電流反饋，通過對網(wǎng)側(cè)電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。為了使網(wǎng)側(cè)電流實時的跟蹤指令電流的變化，電流控制采用PWM控制方式，并且有不同的電流跟蹤方法，目前常用的方法主要有滯環(huán)比較方式、三角波調(diào)制方式等。采用滯環(huán)電流比較的直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，電流響應速度快，控制運算中未使用電路參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性好，因而獲得了較多的應用。這種方法的一個不足之處是開關(guān)頻率不固定，給濾波器設(shè)計帶來一定困難。目前應用較多的是三角波調(diào)試方式，根據(jù)不同的給定電流計算方法，主要有瞬態(tài)電流控制和預測電流控制等。 PWM調(diào)制技術(shù)所謂PWM脈寬調(diào)制技術(shù)(Pu1seWidthModulation，PWM)，是用一種參考波為調(diào)制波(通常是正弦波，也可采用梯形波或注入零序諧波的正弦波或方波等)，而以N倍于調(diào)制波頻率的三角波(或鋸齒波)為載波進行比較，產(chǎn)生一組幅值相等、而寬度正比于調(diào)制波的矩形脈沖序列來等效調(diào)制波，對開關(guān)管進行通、斷控制。利用一定的規(guī)則控制各脈沖的寬度，可實現(xiàn)變流器輸出電壓與頻率的調(diào)節(jié)。 三電平SPWM控制三電平SPWM調(diào)制技術(shù)是兩電平SPWM調(diào)制技術(shù)的直接擴展，是由兩組頻率和幅值相同的三角載波上下層疊，且對稱分布于同一個調(diào)制波的正負半波，與正弦調(diào)制波進行比較以產(chǎn)生開關(guān)的通斷信號。由于單極性PWM調(diào)制比雙極性調(diào)制的諧波分量要小些，所以三電平多采用單極性調(diào)制。假設(shè)三個電平從高到底依次為p、o和n，當調(diào)制波的正半波大于上層載波時，輸出電平為p。而調(diào)制波的負半波幅值小于下層載波時，輸出電平為n。其他情況輸出0電平。在具體的算法實現(xiàn)上又有2個不同的種類。同相層疊方式(Phase dispositionPD)，即兩組三角載波以相同的相位上下排列疊加，然后與正弦波進行比較。正負反相層疊式(phase opposition dispositionPOD)這種方法是使零值以上的三角載波相位和零值以下的三角載波相位相反，其中PD