不同母线钳位PWM的对比研究

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电压空间矢量 PWM(SVPWM)是-种应用非常广泛的开关调制策略。在高开关频率的伺服控制系统中，以及-些有源滤波和无功补偿等大容量、高电压领域中，减歇关损耗尤为重要。由于电压型逆变器中开关电压固定，减歇关损耗只有从减歇关频率和减歇关电流人手。文献[1-3]仅从零矢量的选择和放置来减歇关次数，有的方法对纯阻性负载效果显著，有的方法对负载功率因数角大于或等于30。效果显著；文献[4]对多种方案的谐波定性和定量分析，得出-种谐波较小的方案；文献 [5]提出根据负载功率收稿日期：2012-12-28作者简介：崔 琳(1987-)，女，云南曲靖人，主要从事伺服电机控制方面的研究.E-mail：c1.ruohai###163.con通信联系人：陈阳生，男，教授，博士生导师.E-mail：yschen###zju.edu.cn第7期 崔 琳，等：不同母线钳位PWM的对比研究因数角动态分配零矢量，有效地降低了功率器件的最大开关电流；文献[6]提出的双开关分区钳位策略，在每个载波周期内开关总次数虽未明显减小 ，但大大削弱了谐波。总之，各种低功耗 SVPWM方案的共同点在于，通过适当选择零矢量使每个周期内的开关次数由6次减为4次，并将不动作-相的输出电压钳位到母线电压或者零伏，故称母线钳位 PWM(BCPWM)。

本研究对比分析传统 SVPWM(CSVPWM)及不同的 BCPWM，从相电流谐波、相电压波形、开关损耗、中性点电压波动几个方面进行仿真研究，并进行实验验证1 不同母线钳位 PWM策略1.1 传统 SVPWM 策略(CSVPWM)三相桥式电压型逆变器有 8种工作状态，可用空间电压矢量表示。6条模为2Ud/3的电压矢量将磁链圆所在平面均分为 6个扇区，对于任意扇区内的电压矢量，均可由该扇区两边的基本电压矢量来合成。

电压矢量的作用时间示意图如图 1所示，以第-扇区为例，两相邻电压矢量及零矢量作用时间分别为：图 1 电压矢量的作用时间示意图. . in(60 ) (1)u dc： . -sjn (2)u d0To -TI- (3)CSVPWM将 %均分给两个零矢量 、 ，分别作用于 PWM载波的两端和中间。CSVPWM下各个扇区的电压矢量分配示意图如图2所示。

BCPWM与 CSVPWM 的区别在于零矢量的选择与放置。BCPWM在每个调制周期内，只选择-种零矢量并集中放置，有以下3种方式。

1.2 BCPWM 策略-(BCPWM1)6个扇区都使用单-零矢量，放置在 PWM载波中间。在-个电压周期内，只用零矢量 的每相桥臂在该相电压的负半周有 120。的扇区不开关，只用零矢量的每相桥臂在该相电压的正半周有 120。的扇区不(a)电压矢量作用顺序图互上.量. .生.土4：2 ：2 ：2 ：2 ：2 ：4。

Pw M 逗]ii PWM3i f-1 rr T。1 P。f。。'1； ； ； ； ；(ooo)(1OOX110)(111)(1lO)(1oo)(ooo)fb)扇区①电压矢量分配图PWM1广--] 厂] 几 n 厂] 广--]PWM2 厂] 广--] r--] 广] 几 nPWM3 n 几 厂] 广--] 厂--] 厂]① ② ③ ④ ⑤ ⑥fc各扇区PwM状态图图2 CSVPWM下各个扇区的电压矢量分配示意图开关，故开关总次数减少了 1/3。两种方法输出相电压的调制波波形相反，谐波分布和幅值却完全-致。

鉴于伺服驱动控制多为感性负载，本研究用 的方法。BCPWM1下各个扇区的电压矢量分配示意图如图3所示。

；2；2；2；2 2 i 2；M 。 1； j i i ；PWM2； 厂] ；；i j i ； ； ；PW M3： ： ： ： ： ： ：j j j j jo0O (11o) 100X000)'(b)扇区①电压矢量分配图PWM1广-] r] - - - - n 厂-]PWM2 r] 厂-] 广-] 广] - - - - PWM3- - - - 厂] 厂-] r-] 厂]① ② ③ ④ ⑤ ⑥(c各扇区PwM状态图图 3 BCPWM1下各扇区的电压矢量分配图示意图1.3 BCPWM 策略二(BCPWM2)不同扇区也可以交替使用零矢量，例如：①、③、⑤扇区选用 ；②、④、⑥扇区选用 。-个电压周期内，每相有两个互差 180。，宽60。的扇区不开关。BCP-WM2下各扇区的电压矢量分配示意图如图4所示。

机 电 工 程 第 30卷1.4 BCPWM 策略三(BCPWM3)BCPWM策略三将矢量平面划分为 12个扇区，根据负载功率 因数角 动态调整零矢量放置 的位置，即不开关扇 区的位置，旧能使功率器件在负载电流较大区域不作开关动作，最大限度减少开关次数和开关 电流，从 而实现最歇关损耗。BCP-WM3下各个扇 区的电压矢 量分配示 意图如 图 5所示(a)电压矢量作用顺序图 (b)扇区划分详图PWMI- - -1 厂-] 厂 厂] 厂] - - PWIvI2 厂 ] ] 广 ] 厂 - - - - ] 厂 PWM3 厂] - - - - 厂] 广-] ] 广① ② ③ ④ ⑤ ⑥PWM I- - 门 广 ] ] 厂 ] 厂 - PWM2] 厂 广-] n - - - - 厂]PWM3] 广 - - - - ] 广 ] 厂 广 ] ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑩ ⑩(c)各扇区PwM状态图图 5 BcPwM3下各个扇区的电压矢量分配示意图功率器件的开关损耗可以根据开关电压、电流及开关能耗来进行估算 ：P ∑ (i ) (4)，，(i)( (， ，U ) (L， )) · (5)Jn U n式中：， ， -器件额定电流、额定电压；Wo ，Wo -功率器件在额定电流、电压下每次开通和关断的能量损耗(这些数据可以在功率器件的资料中获得)； -开关频率； -器件开关瞬间的电流； 器件在实际电路中所承受的直流电压。

通过减歇关时刻的瞬间电流，能进-步减歇关损耗。旧能使功率器件在负载电流较小的扇区动作，将不开关扇区移到最大负载电流区，就是-种有效减歇关电流的方法。如图5(a)所示，本研究定义正半周 60。不开关扇区的中点滞后该相给定电压正峰值的角度为该相不开关扇区滞后角 OL。设逆变器三相对称负载的功率因数角为 ，若使 ，则每相每周期的两个60。不开关扇区敲落在该相电流正、负半周幅值最大的两个 60。扇区。参考图5(a)可知，以A相为例，在扇区⑩、①构成的60。区域内A相保持上臂通下臂断的状态，在扇区⑥、⑦构成的60。区域内保持上臂断下臂通。o/30。时取得最大滞后角，BCPWM3转变为 BCPWM2。(2/-30。时取得最大超前角。-个周期内OL、零矢量取值如下：r l I≤30。

tot∈[0，30。 ]tJ[330。 ，360。]Vo tot∈[30。 ，90。0c]tot∈[90。ot，150。 ]Vo tot∈[150。O/，210。 ]，7 cot∈[210。OL，270。 ]Vo tot∈[270。 ，330。 ](7)由图5(b)可知，当电压矢量位于扇区①、②的分界线上时，根据正弦定理，有：： (8) 、-，1 1 1 2故本研究在 CSVPWM扇区划分的基础上，通过判断 和sin(30。-OL) /sin(30。仅)的大小来进-步细分，可得到 12个扇区。

2 不同 SVPWM的仿真分析本研究在 Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型，构造-个三相电压型逆变器，永磁交流同步电机作为负载，电机额定功率因数 cosq0.98，不开关扇区滞后角 10。。母线 电压 Udc200 V，PWM频率为10 kHz，开环测试。定义调制比M2 I I/Ud (I I为输出相电压基波峰值)。0≤M≤1.15为线性调制区，1.15< ≤1.27为过调制区。过调制时，给定电压矢量的相位和幅值发生变化，直接改变两个非零矢量的作用时间 、 是-种算法简单、易于实现的方法 。

2.1 电压电流分析不同调制比下，4种 SVPWM调制的相电流 的谐波畸变率(THD)变化曲线如图6所示∩见， ≤1.15的线性调制区内，随着调制比的增加，4种 PWM调制输出相电流的 THD减小，且 3种 BCPWM的电流畸变要高于CSVPWM▲入过调制区后，4种策略输出相电流的 THD基本-致。

SVPWM以产生电枢绕组正弦波电流为目的，用 8种开关状态产生的实际磁链来逼近基准磁链圆。扇区①内的电流变化图如图7所示，平滑曲线为理想电流第7期 崔 琳，等：不同母线钳位PWM的对比研究 ·859·图 6 4种 SVPWM相电流的 THD对比波形 ，电压矢量的分段逼近产生了实际电流 i。，且围绕 上下波动。CSVPWM在-个调制周期内波动两次，振幅较小，BCPWM由于零矢量集中放置，只波动-次，振幅较大。所以 BCPWM下的电流 THD较大。当调制比 较低时，即给定电压矢量幅值低，相应的非零矢量作用时间短，零矢量作用 时间长，故BCPWM下的电流 THD明显高于 CSVPWM 下的电流 THD。

(a)CSVPW M (b)BCPWM图7 扇区①相电流波动图4种 SVPWM在不同调制比 下，逆变器输出的相电压波形如图8所示。经快速傅里叶变换(FFT) 圈国匿四BCPW Ml> - 薹亘 匿薹西 圈国旦茎 圈厘 厘MO.2 6 MI 15 MI 19 MI.27图8 4种 SVPWM在不同调制比下相电压波形分析 ，4种方式的相电压基波-致 ，最大基波幅值均为 d / 。比SPWM调制的直流电压利用率提高了 l5%，相当于向基波中加入-定 比例的谐波 ，以削平基波幅值来提高直流电压利用率。CSVPWM的相电压谐波中主要为 3次谐波，BCPWM1的相电压含有 -个直流偏 移量，谐波主要 为 3次谐 波。

BCPWM2和 BCPWM3的谐波主要是 3次及 3的倍数次的谐波 ，其中的奇次谐波含量较高。以 A相为例 ，3种 BCPWM的相电压调制波函数表达式分别如下 ：， 2 sin -1 0≤ <120。

M (tot)2Msin(tot-60。)-1 120。

280-.

180。0c≤COt<240。Ot240。Ot≤tot<300。Ot(11)2.2 开关损耗计算由公式(4，5)可知，功率器件的开关损耗撒于开关频率 和单次开关动作的损耗 。4种 SVPWM在- 个电压周期内功率器件的开关次数如表 1所示。假设-个电压周期内，脉冲个数为N，6个功率器件的总开关次数为P。

表 1 4种 SVPWM 在-个电压周期内的开关次数实际系统中，确定功率器件能耗的直流电压 不同于直流母线电压，IGBT在额定电流和电压下开通和关断的损耗值 也不相等。本研究的仿真分析主要关注4种调制策略下开关损耗随电流的变化趋势，故简化地设 In25 A，Un300 V， 1.4 mJ/pulse，U-Ud 200 V， 为开关瞬间流过 IGBT的电流。某相上桥臂 IGBT的开关损耗随时间的变化规律如图9所示。

l I - I ， 3 M MW WC CB B· 860· 机 电 工 程 第 30卷 1'. 1'I， 1'I-，r -，r 、 r ' r - r ，1'I r 1.r ， -1，r 1--- --. ，图 9 4种 SVPWM下开关损耗随时间的变化趋势显然，由于不开关扇区滞后角的引入，BCPWM3在该相电流最大时基本不动作，可将功率器件的最大开关电流降低 13%(1-sin60。13%)，在减歇关损耗上效果最显著。

几种 SVPWM开关损耗的大小关系为：Pw-csvPwM>P w-BcPwM1>PswBCPwM2>Psw BCPwM3(1 2)2.3 中性点电压波动对电机的影响PWM逆变器的使用大大提高了交流电机性能，但也对电机产生了不良影响。对电机的可靠性研究结果表明，25%的电机轴承损坏是由于 PWM逆变器共模电压的du/dt引起的，产生所谓的轴电压”和轴承电流” J。

共模电压 。 为电机中性点对地的零序电压，即中性点电压：： Uo (13)式中：U。，U6，U -A、B、C三相的相电压。

当 PWM逆变器驱动电机时，中性点电压与开关状态的关系如下：(S。S6S )(100)、(010)、(001) -(110)、(011)、(101) Uo Ud式中：Js。，.S ，S -三相开关的状态。

由此可见，PWM逆变器的本质特性决定其共模电压不为零。

当功率器件的开关频率和中性点的 du/dt达到- 定水平后，由于电机定转子及绕组间存在电容耦合，将建立轴电压(转轴对地电压)。由于转轴与轴承内圈连接，轴承外圈与电机机壳接触，当轴电压超过轴承问润滑剂形成 的电介质能承受的最大电压时，会有电流流过轴承，使轴承局部温度迅速升高，熔化产生凹槽，增加轴承机械磨损，同时还因增加了润滑剂中的杂质数量而使噪声加强 ，降低轴承的机械寿命 。

不同调制比 下，4种调制策略的中性点电压波形如图 1O所示。中性点电压的基波幅值如表 2所示∩以发现，当采用 BCPWM2和 BCPWM3，且工作在线性调制区时，中性点电压的 du/dt会很大，-旦建立起来的轴电压超过轴承电压的击穿阈值，轴承电流i Cdu/dt就很大。所以这两种 BCPWM会不同程度地加速电机轴承的损坏。

-so lBCPWM251Ifl 1 0H-十-H.rIBCPWM3薹5o臃) nL uI1 0H叫1叫.].r图 10 4种 SVPWM在不同调制比下中性点电压波形表 2 4种 SVPWM在不同调制比下中性点电压基波幅值CSVPWM BCPWM1 BCPWM2 BCPWM33 实验结果为了验证以上方案的可行性，笔者进行了实验验证。本研究实验平台选用盛迈公司 1 kW伺服驱动系统，驱动器的数字处理芯片为德州仪器(TI)公司的TMS320F28234。实验中，额定转速下工作 2 h，BCP。

、 斗； 1 )-20第 7期 崔 琳，等：不同母线钳位 PWM的对比研究 ·861·WM控制下的驱动器温度比 CSVPWM控制下的约低3℃，电流波形稍变差，噪音加强。

调制比M0.6时，4种 SVPWM下相电流 的波形如图 12所示。由波形可见，BCPWM策略下电流的谐波加剧，与理论分析和仿真研究相符。THD分析结果也验证了该现象。

4 结束语在 SVPWM调制中，零矢量的选择有-定的灵活性 ，通过适当地选择和放置，不仅可以减少开关次数，而且能避免在负载电流较大的时刻开关，最大限度地减少开关损耗。但是具体的应用需从电流畸变，开关损耗以及中性点电压等方面综合考虑。本研究通过对比分析 CSVPWM及 3种 BCPWM 策略，得到如下结论：(a)CSVPWMBCPWM1相电流波形.1-51，2(c)BCPWM2BCPWM3相电流波形：：333：星33朋qzBCPWM3相电流1HD图 12 4种 SVPWM实验中的相电流(1)在线性调制区，BCPWM下的相电流 THD明显高于CSVPWM下的；在过调制区，4种 SVPWM的相电流 THD基本-致。

(2)线性调制区，功率器件的开关损耗大小关系为：P。w csvPWM>Psw BcPWM1>P wBcPwm>Psw BcPWM3。

(3)在线性调制区， 和 BCPWM2 BCPWM3下中性点电压 du/dt较大，从而轴承电流较大，对电机轴承损坏严重；在过调制区，4种调制策略的差距不大。