簡介
三電平逆變器中點電位平衡電路的設計與仿真
陶生桂 龔熙國 袁登科
【摘要】：多電平逆變器在中高壓大功率場合得到了廣泛的研究和套用 .二極體中點箝位三電平逆變器是一種簡單實用的多電平逆變器 ,但是三電平逆變器直流側中點電位偏移問題影響著逆變器及其電機調速系統的可靠性 .為此提出了一種用於三電平逆變器中點電位平衡的硬體電路 ,詳細介紹了其工作原理以及參數設定 ,並用Matlab/Simulink仿真工具對系統進行了研究 ,給出了較好的仿真結果 .
【作者單位】： 同濟大學滬西校區電氣工程系 同濟大學滬西校區電氣工程系 同濟大學滬西校區電氣工程系
【關鍵字】： 三電平逆變器 中點電位平衡 二極體箝位
【正文快照】： 近幾年來 ,多電平逆變器成為人們研究的熱點課題 .三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單又最實用的一種電路 .三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比較 ,主要優點是 :器件具有 2倍的正向阻斷電壓能力 ,並能減少諧波和降低開關頻率 ,從而使系統損耗減小 ,使低壓開關器件可以應
三電平變頻器輸出波形圖技術產生背景
能源短缺和環境污染是人類當前面臨的共同的世紀性難題。從20世紀90年代以來，以高壓IGBT、IGCT為代表的性能優異的複合器件的發展引人注目，並在此基礎上產生了很多新型的高壓大容量變換拓撲結構，成為國內外學者和工業界研究的重要課題，使得傳統上在大功率套用領域中占主導地位的SCR、GTO及其變換器結構受到強有力的挑戰。在工業已開發國家，兆瓦級的高壓多電平逆變器已有產品大量投入市場，並套用於電力機車牽引、船舶電力推進、軋鋼、造紙、油氣田、無功補償等高性能系統中。 三電平逆變器的結構較簡單，其電路拓撲形式從一定意義上來說可以看成多電平逆變器結構中的一個特例，它的中點鉗位及維持中點電位動態平衡技術、功率器件尖峰吸收緩衝電路、PWM算法簡化及控制策略、高壓功率器件的驅動及系統的工作電源等也是多電平逆變器控制需要研究解決的問題。
技術簡介
三電平變換器(Tree．Level Inverter)的橋臂上有4個電力半導體器件，它通過對直流側的分壓和開關動作的不同組合，實現多電平階梯波輸出電壓，可以使波形更加 接近正弦波。
三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用於高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數接近1，且開關電壓應力比兩電平減小一半的優點。提到一種三電平Boost電路，用於對整流橋進行功率因數校正，但由於二極體整流電路的不可逆性，無法實現功率流的雙向流動，提到了幾種三電平PWM整流器，儘管實現了三電平，但開關管上電壓應力減少一半的優點沒有實現。三電平整流器儘管比兩電平整流器開關數量多，控制複雜，但?具有兩電平整流器所不具備的特點：
1）電平數的增加使之具有更小的直流側電壓脈動和更佳的動態性能，在開關頻率很低時，如300～500Hz就能滿足對電流諧波的要求；
2）電平數的增加也使電源側電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數的增加，正弦性越好，功率因數更高；
3）開關的增加也有利於降低開關管上的電壓壓應力，提高裝置工作的穩定性，適用於對電壓要求較高的場合。
逆變器概述
逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220v50HZ正弦或方波）。應急電源，一般是把直流電瓶逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。
工作原理
TL整流器主電路如圖1所示，由8個開關管V11～V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每隻開關管將承擔直流側電壓的一半。
以左半橋臂為例，1態時，當電流is為正值時，電流從A點流經VD11及VD12到輸出端；當is為負值時，電流從A點流經V11及V12到輸出端，因此，無論is為何值，均有uAG=uCG=+ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態時，有uAG=0；在－1態時，有uAG=uDG=－ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。
右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側電壓uAB上產生五個電平：+ud，+ud/2，0，－ud/2，－ud。
每個半橋均有三種工作狀態，整個TL橋共有32=9個狀態。分別如下：
狀態0(1,1)開關管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側電壓uAB等於0，電容通過直流側負載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態1(1,0)開關管V11，V12，V32，V41開通，交流側輸入電壓uAB等於ud/2，輸入端電感電壓等於us－u1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1<us，或放電us<u1)，C2通過直流側負載放電。
狀態2(1,－1)開關管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對電容C1及C2充電(或放電)，由於輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。
狀態3(0,1)開關管V12，V21，V31，V32開通，交流側輸入電壓uAB等於－ud/2，輸入電感上電壓等於us+u1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。
狀態4(0,0)開關管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側負載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態5(0,－1)開關管V12，V21，V41，V42開通，交流側電壓為ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負載電流放電。
狀態6(－1,1)開關管V21，V22，V31，V32開通，uAB=－ud，正向(或反向)線電流對兩個電容C1及C2充電(或放電)，由於升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。
狀態7(－1,0)開關管V21，V22，V32，V41開通，交流側電壓電平為－ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負載電流放電。
狀態8(－1,－1)開關管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等於us，兩個電容C1及C2均通過負載電流放電。電流is根據電壓us的變化而增加(或減小)。
發展趨勢
近幾年來，多電平逆變器成為人們研究的熱點課題。三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單又最實用的一種電路。三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比較主要優點是器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，並能減少諧波和降低開關頻率，從而使系統損耗減小，使低壓開關器件可以套用更廣泛。
隨著新型電力電子器件及DSP 智慧型控制晶片的迅速普及，這一技術必將在大功率套用場合大顯身手。IGCT 和高壓IGBT等新型器件近來的發展使PWM逆變器在工業及牽引套用中成本降低的同時性能也得到改善。傳統直流電流源供電及直流電壓源供電GTO逆變器正逐漸被使用IGCT及IGBT的兩電平或三電平PWM逆變器所取代，隨著減少電磁和噪聲等環境標準的提高，三電平逆變器方案必將得到廣泛的套用。
