一種交錯并聯三電平逆變器均流的控制方法

劉藝超

（科華數據股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

逆變器的各并聯橋臂開關管驅動頻率相同，載波相位錯開一定角度運行的電路拓撲稱為逆變器交錯并聯拓撲。當并聯橋臂為兩路時，采用載波交錯180°的調制方法可實現最好的諧波特性。逆變器交錯并聯拓撲的兩路并聯橋臂的濾波電感共用同一濾波電容組成LC濾波電路，就濾波電容而言具有開關頻率倍頻的效果，同時輸出總電流紋波是兩路橋臂輸出電流紋波錯相180°后的疊加值，如圖1所示，總電流紋波幅值顯著減小[1-2]。電流紋波頻率提高的同時紋波幅值減小，可以降低對磁性元件的要求，減少使用的濾波器個數，提高電源系統的瞬態響應特性從而提高電源系統的功率密度[3]。因此交錯并聯拓撲在高功率密度的電力電子產品設計時深受開發者的青睞。

圖1 兩路并聯橋臂交錯并聯的電流紋波

交錯并聯拓撲帶來益處的同時，也帶來了一些技術問題。常見的交錯并聯拓撲軟件控制方法，比較突出的問題是均流效果不佳，它繼而引起一系列的問題：①橋臂中開關管的溫升差異增大，降低了系統的可靠性；②系統內部環流增大，降低了系統的穩定性；③降低了系統的效率等性能指標。

本文提出一種逆變器交錯并聯拓撲第二路逆變橋臂電感電流差拍采樣和控制的方法，可以解決常見的無差拍采樣控制方法均流控制效果不佳的問題。以兩路I型三電平逆變橋臂交錯并聯的逆變器為樣機平臺進行實驗，測試結果表明差拍采樣控制方法能得到較好的均流效果。

1 問題分析

圖2為兩路I型三電平逆變橋臂交錯并聯拓撲，圖3為交錯并聯拓撲的控制框圖。控制上采用電壓外環電流內環的雙環控制架構，電壓外環和電流內環均采用PI 控制。為了實現交錯并聯拓撲兩路電感電流的均流，電流環兩路獨立分開控制和調制，共用同一個電壓外環。電壓外環將逆變電壓參考值與實際逆變電壓采樣值進行誤差比較后通過PI調節，得到電流內環的電感電流參考值。電流內環將給定的電感電流參考值與實際采樣到的橋臂電感電流值進行誤差比較后通過PI 調節，進而最終調制出實際的PWM 波驅動開關管。

圖2 兩路I型三電平逆變橋臂交錯并聯拓撲

從圖3控制框圖可知，兩路橋臂控制傳遞函數的差異點為內環的實際電感電流采樣值，當兩路電感電流不是在相對同一參考點采樣時，環路很難控制在均流狀態。

圖3 逆變器交錯并聯拓撲的控制框圖

圖4為常見的交錯并聯拓撲軟件控制時序圖，在第一路逆變橋臂載波過零點進入DSP中斷，隨后進行兩路電感電流AD采樣和環路控制，在下次載波過零點完成PWM裝載工作。

圖4 無差拍采樣控制的軟件時序圖

圖5為常見的交錯并聯拓撲無差拍采樣控制時序對應的電感電流采樣波形，兩路并聯橋臂電感電流的均流效果不佳。通過分析交錯并聯拓撲軟件控制時序，發現兩路電流環的控制時序存在如下不一致：①采樣時刻電感電流的位置不一致；②從控制更新時刻到PWM裝載時刻的延時時間不一致。

圖5 無差拍采樣控制時序對應的采樣波形

2 解決方案

交錯并聯拓撲第二路逆變橋臂電感電流采用差拍采樣和控制的方法，使兩路電感電流在相對同一參考點進行采樣和控制，可以解決上述的兩個不一致。圖6為第二路延時半拍采樣的軟件控制時序圖。在第一路逆變橋臂載波過零點進入DSP中斷，隨后進行第一路電感電流AD采樣和環路控制，延時半拍后再進行第二路電感電流AD采樣和環路控制。在第一路逆變橋臂載波的下次過零點完成第一路PWM波裝載，延時半拍后在第二路載波的過零點完成第二路PWM波裝載[4-5]。

圖6 第二路延時半拍采樣控制的軟件時序圖

程序實現步驟：中斷頻率與載波頻率一致，依據“任務分配”實現交錯并聯拓撲第二路逆變橋臂電感電流延時半拍進行采樣和控制。

Step1：第一路采樣；

Step2：其它任務；

Step3：第一路控制；

Step4：其它任務（確保程序執行至此，消耗了一半的中斷時間）；

Step5：第二路采樣；

Step6：第二路控制；

Step7：其它任務。

圖7為交錯并聯拓撲第二路延時半拍采樣控制時序對應的電感電流采樣波形，對比圖5可以發現，改進之后的控制時序可以較好地實現兩路電感電流的均流效果。

圖7 第二路延時半拍控制時序對應的電感電流采樣波形

3 結語

本文提出的一種逆變器交錯并聯拓撲第二路逆變橋臂電感電流采用差拍采樣和控制的方法，可以解決兩路橋臂采樣時刻電感電流的位置不一致和從控制更新時刻到PWM波裝載時刻的延時時間不一致這兩個問題，從而使兩路交錯并聯橋臂達到較好的均流效果，并通過實驗驗證了方案的可行性，為產品的可靠運行和指標性能優化奠定了良好基礎。