三電平逆變器主電路及調(diào)制策略研究

三電平逆變器作為多電平逆變器的一種,在高壓大功率場(chǎng)合獲得了較為廣泛的應(yīng)用。研究和分析了三電平逆變器主電路的原理和調(diào)制策略,并在Matlab/Simulink下進(jìn)行了仿真分析。

1 引言

三電平結(jié)構(gòu)作為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，自日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)難波江章（A.Nabae） 等人于1980 年在IEEE 工業(yè)應(yīng)用年會(huì)提出以來(lái)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得了廣泛 的應(yīng)用。三電平逆變電器與普通的二電平逆變器相比，在相同載波頻率下，逆變器的開(kāi)關(guān)頻 率要低一些，輸出波形的諧波分量會(huì)更少一些，這樣不僅減少了諧波損耗與開(kāi)關(guān)損耗，提高 了系統(tǒng)的效率，同時(shí)也減少了對(duì)周?chē)h(huán)境的電磁干擾。

2 三電平逆變器原理分析

圖 1 為中點(diǎn)箝位型三相三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)涞闹绷鱾?cè)串聯(lián)兩個(gè)電容分壓實(shí)現(xiàn) 三個(gè)電平，每個(gè)橋臂用4 個(gè)功率開(kāi)關(guān)串聯(lián)，用兩個(gè)串聯(lián)的二極管和內(nèi)部的功率開(kāi)關(guān)并聯(lián)，二 極管的中心和電容的中心連接，實(shí)現(xiàn)箝位，即中點(diǎn)箝位逆變器。

如圖所示，每一相都需要4 個(gè)主開(kāi)關(guān)器件、4 個(gè)續(xù)流二極管、兩個(gè)箝位二極管，當(dāng)V11 和V12 同為導(dǎo)通時(shí)，輸出端Uo 對(duì)O 點(diǎn)的電平為Ed/2；當(dāng)V12 和V13 同為導(dǎo)通時(shí)，輸出端 Uo 和O 點(diǎn)相連，因此它的電平為0；當(dāng)V13 和V14 同為導(dǎo)通時(shí)，輸出端對(duì)O 點(diǎn)的電平為- Ed/2，所以每相橋臂能輸出三個(gè)電平狀態(tài)。一相橋臂電路的穩(wěn)態(tài)工作情況具體敘述如下：開(kāi)關(guān)管 V11 和V12 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，V13 和V14 同時(shí)關(guān)斷，若電流從逆變電路流向負(fù)載，即從p 點(diǎn)經(jīng) 由V11 和V12 到達(dá)輸出端，忽略開(kāi)關(guān)器件的正向?qū)▔航?，輸出端的電位等同于p 點(diǎn)的電 位，即Ed/2；若電流從負(fù)載流向逆變電路，這時(shí)電流從輸出端分別流經(jīng)續(xù)流二極管D12、 D11 流進(jìn)p 點(diǎn)，這時(shí)輸出端的電位仍等同于p 的電位。

表 1 中列出了上面分析的結(jié)果，可以看到三種穩(wěn)態(tài)工作模式的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出端電壓 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要注意的是，根據(jù)上面分析的工作原理，主開(kāi)關(guān)管V11 和V14 不能同時(shí)導(dǎo) 通，且V11 和V13、V12 和V14 的工作狀態(tài)恰好相反，即工作在互補(bǔ)狀態(tài)，平均每個(gè)主開(kāi) 關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為Ed/2，這也是三電平逆變器的基本控制規(guī)律之一。另外，從表 中可以明顯看出，每相橋臂中間的兩個(gè)IGBT 導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)熱量也多一些，因此實(shí) 際系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)應(yīng)以這兩個(gè)IGBT 為準(zhǔn)。

根據(jù)前面分析的電路工作情況，可以繪出中點(diǎn)箝位型三電平逆變器的三相輸出端電壓波形，如圖所示，其中α為觸發(fā)延遲角。

3 三電平逆變器的載波調(diào)制策略

三電平逆變器的載波調(diào)制策略分為基于多載波的單極性調(diào)制策略和基于單載波的雙極 性調(diào)制策略。多載波調(diào)制技術(shù)就是利用一個(gè)調(diào)制信號(hào)波(一般為正弦波)與多個(gè)載波信號(hào)(一般 為三角波)相交，來(lái)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形。對(duì)于一個(gè)N 電平的逆變器，需要N-1 個(gè)載波， 這些載波具有相同的幅值和頻率，把這些載波按照連續(xù)的帶寬進(jìn)行排列，完全分布在逆變器 的線性調(diào)制區(qū)。調(diào)制波是以0 參考軸為中心的。這種調(diào)制技術(shù)的總體思想就是：在調(diào)制波的 正半周，調(diào)制波與0 參考軸上的所有載波進(jìn)行比較，當(dāng)調(diào)制波每大于一個(gè)載波時(shí)，便輸出一 個(gè)正的臺(tái)階電壓，否則輸出0 電平；在調(diào)制波的負(fù)半周，調(diào)制波與0 參考軸下的所有載波進(jìn) 行比較，當(dāng)調(diào)制波每小于一個(gè)載波時(shí)，便輸出一個(gè)負(fù)的臺(tái)階電壓，否則輸出0 電平。

4 仿真研究與分析

在Matlab/Simulink 下搭建仿真模型進(jìn)行仿真。改變逆變器的載波頻率，觀測(cè)電壓波形。 分別設(shè)定載波比為80，128, 200，即IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率為4000Hz，6400Hz, 10000Hz（IGBT 的最大開(kāi)關(guān)頻率為20000Hz），依次記錄逆變器的輸出電壓波形。

從上述波形圖中可以看出：開(kāi)關(guān)頻率高的逆變器輸出波形明顯比開(kāi)關(guān)頻率低的逆變器輸 出波形好，諧波含量低。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率提高到一定的時(shí)候，諧波含量降低的程 度會(huì)變化很小，相反，由于此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率太高，而將會(huì)引起開(kāi)關(guān)損耗的增加。所以在對(duì)逆變 器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為*kHz。

5 結(jié)論

本文深入分析和研究了三電平逆變器主電路的基本原理和基于載波的調(diào)制策略。對(duì)不 同載波頻率下的逆變器進(jìn)行了仿真分析，所得到的結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用中具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：用MATLAB/SIMULINK 驗(yàn)證了載波調(diào)制策略應(yīng)用在多電平逆變器的 優(yōu)越性。