三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真

陶生桂 龚熙国 袁登科

【摘要】:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用 .二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器 ,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性 .为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路 ,详细介绍了其工作原理以及参数设定 ,并用Matlab/Simulink仿真工具对系统进行了研究 ,给出了较好的仿真结果 .

【作者单位】: 同济大学沪西校区电气工程系 同济大学沪西校区电气工程系 同济大学沪西校区电气工程系

【关键词】: 三电平逆变器 中点电位平衡 二极管箝位

【正文快照】: 近几年来 ,多电平逆变器成为人们研究的热点课题 .三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路 .三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较 ,主要优点是 :器件具有 2倍的正向阻断电压能力 ,并能减少谐波和降低开关频率 ,从而使系统损耗减小 ,使低压开关器件可以应

能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。从20世纪90年代以来，以高压IGBT、IGCT为代表的性能优异的复合器件的发展引人注目，并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构，成为国内外学者和工业界研究的重要课题，使得传统上在大功率应用领域中占主导地位的SCR、GTO及其变换器结构受到强有力的挑战。在工业发达国家，兆瓦级的高压多电平逆变器已有产品大量投入市场，并应用于电力机车牵引、船舶电力推进、轧钢、造纸、油气田、无功补偿等高性能系统中。三电平逆变器的结构较简单，其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成多电平逆变器结构中的一个特例，它的中点钳位及维持中点电位动态平衡技术、功率器件尖峰吸收缓冲电路、PWM算法简化及控制策略、高压功率器件的驱动及系统的工作电源等也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题。

三电平变换器(Tree.Level Inverter)的桥臂上有4个电力半导体器件，它通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形更加接近正弦波。

三电平(ThreeLevel，TL)整流器是一种可用于高压大功率的PWM整流器，具有功率因数接近1，且开关电压应力比两电平减小一半的优点。提到一种三电平Boost电路，用于对整流桥进行功率因数校正，但由于二极管整流电路的不可逆性，无法实现功率流的双向流动，提到了几种三电平PWM整流器，尽管实现了三电平，但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多，控制复杂，但?具有两电平整流器所不具备的特点:

1)电平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能，在开关频率很低时，如300~500Hz就能满足对电流谐波的要求;

2)电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高;

3)开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力，提高装置工作的稳定性，适用于对电压要求较高的场合。

逆变器(inverter)是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v50HZ正弦或方波)。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

TL整流器主电路如图1所示，由8个开关管V11~V42组成三电平桥式电路。假定u1=u2=ud/2，则每只开关管将承担直流侧电压的一半。

以左半桥臂为例，1态时，当电流is为正值时，电流从A点流经VD11及VD12到输出端;当is为负值时，电流从A点流经V11及V12到输出端，因此，无论is为何值，均有uAG=uCG=+ud/2，D1防止了电容C1被V11(VD11)短接。同理，在0态时，有uAG=0;在-1态时，有uAG=uDG=-ud/2，D2防止了电容C2被V22(VD22)短接。

右半桥臂原理类似，因此A及B端电压波形如图2所示，从而在交流侧电压uAB上产生五个电平:+ud，+ud/2，0，-ud/2，-ud。

每个半桥均有三种工作状态，整个TL桥共有32=9个状态。分别如下:

状态0(1,1)开关管V11，V12，V31，V32开通，变换器交流侧电压uAB等于0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态1(1,0)开关管V11，V12，V32，V41开通，交流侧输入电压uAB等于ud/2，输入端电感电压等于us-u1。电容C1电压被正向(或反向)电流充电(u1<us，或放电us<u1)，C2通过直流侧负载放电。

状态2(1,-1)开关管V11，V12，V41，V42开通，输入电压uAB=ud，正向(或反向)电流对电容C1及C2充电(或放电)，由于输入电感电压反向，电流is逐渐减小。

状态3(0,1)开关管V12，V21，V31，V32开通，交流侧输入电压uAB等于-ud/2，输入电感上电压等于us+u1。电容电压被正向(或反向)电流充电(或放电)。

状态4(0,0)开关管V12，V21，V32，V41开通，输入端电压为0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态5(0,-1)开关管V12，V21，V41，V42开通，交流侧电压为ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载电流放电。

状态6(-1,1)开关管V21，V22，V31，V32开通，uAB=-ud，正向(或反向)线电流对两个电容C1及C2充电(或放电)，由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加。

状态7(-1,0)开关管V21，V22，V32，V41开通，交流侧电压电平为-ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载电流放电。

状态8(-1,-1)开关管V21，V22，V41，V42开通，输入端电压为0，升压电感电压等于us，两个电容C1及C2均通过负载电流放电。电流is根据电压us的变化而增加(或减小)。

近几年来，多电平逆变器成为人们研究的热点课题。三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路。三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较主要优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波和降低开关频率，从而使系统损耗减小，使低压开关器件可以应用更广泛。

随着新型电力电子器件及DSP 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显身手。IGCT 和高压IGBT等新型器件近来的发展使PWM逆变器在工业及牵引应用中成本降低的同时性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电GTO逆变器正逐渐被使用IGCT及IGBT的两电平或三电平PWM逆变器所取代，随着减少电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。