Contributions on spectral control for the asymmetrical full bridge multilevel inverter

Abstract

Las topologías de circuitos inversores multinivel pueden trabajar a tensiones y potencias mayores que las alcanzadas por convertidores convencionales de dos niveles. Además, la conversión multinivel reduce la distorsión armónica de las variables de salida y en algunos casos, a pesar del aumento de elementos de conmutación, también reduce las pérdidas de conversión al incrementarse el número de niveles. La reducción de distorsión alcanzada por el número de niveles puede aprovecharse para reducir las pérdidas de conmutación disminuyendo la frecuencia de las señales portadoras. Para reducir aún más esta frecuencia sin degradar el espectro, nosotros controlamos las pendientes de las portadoras triangulares. <br/>Primero se han desarrollado dos modelos analíticos para predecir el espectro del voltage de salida, dependiendo de: el índice de modulación MA, la razón de distribución de voltaje K de las fuentes de alimentación , y las cuatro pendientes de las portadoras{r1, r2, r3, r4}. El primer modelo considera el Muestreo Natural y se basa en Series Dobles de Fourier (SDF) mientras que el segundo modelo, utiliza la Serie Sencilla de Fourier (SSF) introduciendo el concepto de Muestreo Pseudo-Natural, una aproximación digital de la modulación natural. Ambos modelos son programados en Matlab, verificados con Pspice y validados con un prototipo experimental que contiene un modulador digital implementado con DSP.<br/>La concordancia entre las modulaciones natural y pseudo-natural, asi como entre sus respectivos modelos, es aprovechada por un algorítmo genético (AG) donde la THD es la función costo a reducir. Después de varios ensayos y de sintonizar el AG, se genera una matriz que contiene conjuntos de portadoras optimizadas dentro un rango específico de las variables {MA,K} y es probada con un segundo prototipo en lazo cerrado. Un lazo lento digital modifica las portadoras creadas por un dsPIC en modulaciones PWM; estas son demoduladas y sus amplitudes corregidas por un lazo de acción anticipada. Estas portadoras se comparan con una referencia sinusoidal que a su vez es modificada por variables de estado, generando finalmente la modulación multinivel en lazo cerrado. Los resultados finales demuestran la fiabilidad de la reducción de armónicos usando la programación de las pendientes de las portadoras. <br/>Palabras claves: inversor multinivel, PWM, distorsión armónica, modelo espectral, pendiente de portadora, conjunto de portadoras, distribución de niveles, Serie Doble de Fourier, Serie Simple de Fourier, muestreo natural, muestreo regular, muestreo pseudo-natural , Algoritmos Genéticos.

Multilevel inverter (MI) topologies can work at higher voltage and higher power than conventional two-level converters. In addition, multilevel conversion reduces the output variables harmonic distortion and, sometimes, in spite of the devices-count increment, the conversion losses can also decrease by increasing the number of levels. The harmonic distortion reduction achieved by increasing the number of levels, can be used to further reducing the switching losses by decreasing the inverter carrier frequencies. To reduce even more the switching frequency without degrading output spectrum, we control the triangular carrier waveforms slopes. <br/>First, to achieve this target, two analytical models have been created in order to predict the inverter output voltage spectrum, depending on diverse parameters: the amplitude modulation index MA, the voltage distribution K of the inverter input sources, and the four carrier slopes {r1, r2, r3, r4}. The first model considers Natural Sampling and is based on Double Fourier Series (DFS) whereas the second model based on Simple Fourier Series (SFS), introduces the concept of Pseudo-Natural Sampling, as a digital approximation of the natural modulation. Both models are programmed in Matlab, verified with Pspice simulations and validated with a first experimental prototype with a DSP digital modulator.<br/>The good agreement between natural and pseudo-natural modulations, as well as their respective DFS and SFS models, is exploited by a Genetic Algorithm (GA) application where THD is the cost function to minimize. After testing and properly tuning the GA, a framework matrix containing the optimized carriers set for a specific range of variables {MA,K} is generated and then, tested with a second, closed-loop prototype. A slow digital loop modifies the carrier slopes created by dsPIC microcontroller as PWM modulations, whose amplitude, once demodulated, are affected by a feed-forward loop. These carriers, compared with a sinusoidal reference, state-feedback modified, generate finally the closed-loop multilevel modulation. The final results demonstrates the feasibility of harmonic reduction by means of carrier slopes programming. <br/>Keywords: multilevel inverter, PWM, harmonic distortion, spectral modeling, carrier slope, carriers set, level distribution, Double Fourier Series, Simple Fourier Series, natural sampling, regular sampling, pseudo-natural sampling, Genetic Algorithms.