空间电压矢量的最小损耗脉宽调制技术

从前述的空间电压矢量脉宽调制策略可以看出：五段式的调制方案开关损耗很小，但其在电源的一个正弦周期中，正半周和负半周的波形不对称，谐波含量多，同时对三相桥的六个功率开关管来说，只有一半的功率器件开关损耗被减小，器件使用不平衡，因此调制方案有待优化。

在两电平换流器的空间电压矢量脉宽调制中，由于零矢量有两种自由度V₀和V₇，因此不同时刻选择不同的冗余矢量，可以减小谐波和开关损耗，并且能平衡各功率开关器件的使用，以提高装置寿命和效率。表2-11为五段式最小损耗电压矢量调制策略。

表2-11 五段式电压矢量脉宽调制对比

方案一，整个调制中零矢量固定选用V₀矢量，则从表2-11可以看出，a相功率开关器件在扇区Ⅲ和扇区Ⅳ的120°内上桥臂开关管不动作；b相功率开关器件在扇区Ⅴ和扇区Ⅵ的120°内上桥臂开关管不动作；c相功率开关器件在扇区Ⅰ和扇区Ⅱ的120°内上桥臂开关管不动作。

方案二，若整个调制中零矢量固定选用V₇矢量，则从表2-11可以看出，a相功率开关器件在扇区Ⅰ和扇区Ⅵ的120°内上桥臂开关管不动作；b相功率开关器件在扇区Ⅱ和扇区Ⅲ的120°内上桥臂开关管不动作；c相功率开关器件在扇区Ⅳ和扇区Ⅴ的120°内上桥臂开关管不动作。

上述方案一和方案二不管哪种调制方法，在一个电源周期中，总有120°不调制，功率开关器件的开关次数均比七段式调制策略减小了1／3，但这种不调制连续集中出现在某两个扇区，每相只有一个开关器件的功率损耗减小，功率开关器件使用不平衡；一个电源周期中，换流器交流输出波形不对称。两种方案中，换流器同一个功率开关管，不调制区相差180°，同一相不开关扇区是一样的。

图2-48 五段式最小损耗电压矢量调制策略

a）方案三 b）方案四

方案三：若在扇区Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ内采用V₇矢量，a、b、c三相在相应区域保持上桥臂功率开关器件60°不动作；而在扇区Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ内，采用V₀矢量，这时，c、a、b三相在相应区域保持下桥臂的功率开关器件60°不动作。也就是说a相上桥臂和下桥臂不调制的区域分别为扇区Ⅰ和扇区Ⅳ，b相上桥臂和下桥臂不调制的区域分别为扇区Ⅲ和扇区Ⅵ，c相上桥臂和下桥臂不调制的区域分别为扇区Ⅱ和扇区Ⅴ。在一个电源周期中，每相总有两个互差180°，宽度为60°的不调制扇区，使功率开关器件不动作的区域在每相的正半周和负半周都存在，同时三相的上桥臂或下桥臂功率开关管的不调制区依次滞后120°。(www.xing528.com)

方案四：若在扇区Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ内采用V₀矢量，c、a、b三相在相应区域保持下桥臂功率开关器件60°不动作；而在扇区Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ内，采用V₇矢量，b、c、a三相在相应区域保持上桥臂的功率开关器件60°不动作。每一电源周期每相总有两个互差180°，宽度为60°的不调制扇区，使功率开关器件不调制的区域在每相的正半周和负半周都存在，同时三相的上桥臂或下桥臂功率开关管的不调制区依次滞后120°。

图2-48为方案三和方案四调制策略下电源电压、换流器交流相电压和线电压。显然，方案三和方案四，在一个电源周期中，仍然存在120°不调制区，功率开关器件的开关次数均比七段式调制策略减小了1／3，但这种不调制分别出现在两个互差180°的扇区里，每相两个开关器件功率损耗均减小，功率开关器件使用平衡；一个电源周期中，换流器交流输出波形也对称。方案三中a相上桥臂和下桥臂不调制的区域分别为扇区Ⅰ和扇区Ⅳ，而方案四中a相上桥臂和下桥臂不调制的区域分别为扇区Ⅵ和扇区Ⅲ，方案三a相相应的不调制区域滞后方案四60°，其他两相也一样。

也就是说，在保证参考电压矢量不变的情况下，通过采用不同的零矢量做起始和终止矢量可以使功率开关器件不导通区域最多可以产生60°的相位移。那么通过脉宽调制策略使不导通区域跟踪负载最大电流是可能的，因此，功率开关器件的开关损耗可以降得更低。因此，称其为最小损耗电压矢量脉宽调制策略。

那么，怎样才能让调制策略的不导通区域跟随负载相位的变化而有所调整呢？设电源电压为三相对称正弦波，如果在参考相电压的正半周和负半周内各有一个60°的不调制扇区，则定义正半周60°不调制扇区的角平分线滞后该相参考电压正峰值点的角度为该相不调制扇区的滞后角ψ，则ψ角就是该相保持上桥臂导通下桥臂关断的60°不调制扇区的角平分线沿顺时针方向与该相轴线所成的夹角。方案三不调制扇区滞后参考电压30°；方案四不调制扇区超前参考电压30°，如图2-49所示。

以a相为例，从上述分析可知，扇区Ⅵ和I构成连续120°的使a相保持上桥臂导通和下桥臂关断的不调制区域，且要求零矢量为V₇；同样扇区III和扇区Ⅳ构成连续120°的使a相保持上桥臂关断和下桥臂导通的不调制区域，且要求零矢量为V₀；并且这两个连续120°的扇区相差180°，即对称于原点。这就是说在a相给定电压正半周不开关的60°扇区可在扇区Ⅵ和Ⅰ构成的连续120°内选取，负半周不开关的60°扇区可在扇区III和扇区Ⅳ构成的连续120°内选取，则ψ可在60°的范围内连续变化。ψ＝30°时取得最大滞后角，即方案三；ψ＝-30°时取得最大超前角，即方案四。ψ的变化范围为［-30°，30°］。

图2-49 不调制区与参考电压的关系

综上，设负载电流滞后参考电压的角度为φ，为了使两个60°的不开关扇区尽可能落在负载电流较大的区域内，一个电源周期内ψ和零矢量V_k（k＝0，1）应按下式取值^［28］：