三電平逆變器中點電位平衡電路的設(shè)計與仿真概要

1、收稿日期 :2004-02-24作者簡介:陶生桂(1940-,男,江蘇常熟人 ,教授,博士生導(dǎo)師.E 2mail:hb9139三電平逆變器中點電位平衡電路的設(shè)計與仿真陶生桂,龔熙國 ,袁登科(同濟大學(xué)滬西校區(qū)電氣工程系 ,上海 200331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應(yīng)用.二極管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(cè)中點 電位偏移問題影響著逆變器及其電機調(diào)速系統(tǒng)的可靠性 .為此提出了一種用于三電 平逆變器中點電位平衡的硬件電路 ,詳細(xì)介紹了其工作原理以及參數(shù)設(shè)定 ,并用 Matlab/Simulink 仿真工具對系統(tǒng)進(jìn)行了研究 ,

2、給出了較好的仿真結(jié)果 .關(guān)鍵詞 :三電平 逆變器;中點電位平衡 ;二極管箝位中圖分類號 :TM 464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :0253-374X(200503-0395-05Design and Simulation of Nove l Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTAO Sheng 2gui,GON G Xi 2guo,YUAN Deng 2ke(Department of Electrical Engineering,Tong ji University West Campu s

3、,Shanghai 200331,ChinaA bstract :The multilevel inverter has been studied and used widely in high power applications for medium or high voltage.Diode 2clamped three 2level inverter is a simple and practical kind of inverter.But the deviation of neutral point voltage is one of the key aspects that af

4、fects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.T his paper presents a novel circuit for neutral 2point voltage balance in the three 2level inverter.The operation principle and parameters setting are analyzed in detail.Simulation results based on Matlab/Simulink are

5、supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter;neutral 2point voltage balancing;diode 2clamped 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(tǒng)的兩電平逆變器相比較 ,主要 優(yōu)點是 :器件具有 2 倍的正向阻斷電壓能力 ,并能減少諧波和降低開關(guān)頻率 ,從而使系 統(tǒng)損耗減小 ,使低壓開關(guān)器件可以應(yīng)用于高壓變換器中 1. 但是三電平逆變器控

6、制策 略復(fù)雜 ,并要考慮中點電位平衡的問題 .若逆變器直流母線上串聯(lián)的 2 個電容的中點電壓出現(xiàn) 偏移 ,將引起三電平逆變器輸出電壓波形發(fā)生畸變而增大諧波及損耗 2. 抑制三電平 逆變器中點電位偏移的方法有硬件和軟件兩類 .從軟件出發(fā)將會增加控制的復(fù)雜性 . 筆者提出了一種抑制三電平逆變器中點電位偏移的硬件電路的實現(xiàn)方法.詳細(xì)介紹了其工作原理和電路設(shè)計 ,第 33卷第 3期 2005年3月同濟大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版JO U RNAL O F TONGJI U NIV ERS ITY(N ATURAL SCIENCEVol.33No.3 Mar.2005并用美國 MATH Works 公司推出的

7、交互式仿真軟件 Matlab/Simulink 進(jìn)行了研 究 ,給出了較好的仿真結(jié)果 .1 三電平逆變器及中點電位偏移原理三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖 1所示.其中 V X1V X4 分別為 X(X=A,B,C 相上 的電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管 (insulated gate bipolar transistor,IGBT;D X1D X4為與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管 ;D X 5,D X 6 為相應(yīng)各相的箝位二極管 ;P,N 為直流 側(cè)正、負(fù)電壓母線 ;O 為中性點;C 1,C 2為直流側(cè)的分壓電容 ;U A U C 為逆變器的 三相輸出電壓 ;U dc 為直流側(cè)電壓 ;i C1 和 i C

8、2分別為流經(jīng) C 1和 C 2的電流;i NP 為 流經(jīng)中性點的電流 .以 X 相為例說明三電平逆變器的工作原理為 :V X1 和 V X2 導(dǎo)通 時 X 相輸出正電平 ;V X3 和 V X 4 導(dǎo)通時 ,X 相輸出負(fù)電平 ;V X 2 和 V X3 導(dǎo)通時 ,X 相輸出零電平 .因此 ,逆變器交流側(cè)每相輸出電壓相對于直流側(cè)電壓有三種取值的可 能,這正是三電平逆變器名稱的由來圖 1 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 三電平逆變器主電路原理圖Fig.1 Main cir cuit schematic of insulated gate bipolartransistor thr ee 2level

9、 inverter三電平逆變器運行中會存在一個問題 ,即中點電位偏移 ,這是由于在直流側(cè)中性 點存在著流入或流出的中點電流 i NP ,如圖 1所示.當(dāng)某一相上輸出為零電壓時 (V X2,V X 3 管 導(dǎo)通,中點電流使得直流側(cè)電容分壓產(chǎn)生失衡 :當(dāng)i NP 流出中點時,對 C 1充電;當(dāng)i NP 流入中點時 ,對C 2充電,若C 1,C 2的充放電過程不均衡 ,則中點電位就要發(fā)生偏 移.由此可見,i C1X i C2 或i NP X 0是產(chǎn)生中點電位偏移的必要條件 ,而零電壓在此 過程中起了重要影響 .2 中點電位平衡電路設(shè)計及其工作原理p%士 Cl筆者提出的中點電位平衡電路的主電路如圖2所

10、示.電路中 T 1,T 2,T 3為IGBT 管,D 1,D 2為續(xù)流二極管 ,L 1,L 2為儲能電 感,C 1,C 2為分壓電容 .與普通抑制電路相比 ,該電路增加了一個 IGBT 管 T 3,通過控 制 T 3管的導(dǎo)通與關(guān)斷 ,可以抑制直流側(cè)電壓 U dc 不變情況下 C 1,C 2端的電壓變 化,即使 U dc 降低,該電路也能有效抑制中點電位的偏移 .圖 2 中點電位平衡電路主電路Fig.2 Main cir cuit schematic of the neutr al 2pointvoltage ba lancing2.1 U dc 保持不變情形下的中點電位的平衡若 U dc 保持

11、不變 ,則 U dc =U C1+U C2 為常數(shù) ,U C1 增加必然導(dǎo)致 U C2 下降 , 同樣 U C1下降必然使 U C2增加,因此可以通過調(diào)整直流側(cè)兩個分立電容的電壓來 平衡中點電位 .為實現(xiàn)這一目標(biāo) ,使 T 3始終處于導(dǎo)通狀態(tài) ,此時的等效電路如圖 3所 示.圖 3 T 3 導(dǎo)通時的等效電路圖 Fig .3 Equiv a lent cir cuit when T 3turns on這一電路由 Boost 和Buck 變換器組成 .T 1,D 1,L 1和 C 2構(gòu)成 Buck 變換器;T2,D 2,L 2和C 1構(gòu)成 Boost 變換器.電路的工作模式相應(yīng)地分為 Buck 變

12、換模式和 Boost 變換模式.這兩種變換模式的工作狀態(tài)應(yīng)當(dāng)互補 .當(dāng) U C1U C2時,Buck 變換電 路（T 1,D 1,L 1,C 2開始工作,與此同時,Boost 變換電路停止工作 .Buck 變換模式中 ,是 通過調(diào)整 C 2兩端的電壓實現(xiàn)抑制中點電位偏移的 .當(dāng) T 1導(dǎo)通時,一方面在 U dc 作 用下,電流流經(jīng) T 1,L 1,C 2,另一方面396同濟大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版第 33 卷電容C 1上的電壓 U C1經(jīng)T 1與L 1構(gòu)成回路,均使電感 L 1儲能;當(dāng)T 1關(guān)斷時,經(jīng) C 2,D 1,L 1的回路將儲存在L 1中的電能轉(zhuǎn)換到 C 2中,電容 C 2充電,其上電壓

13、增大 ,直到 C 1與C 2上的電壓平衡 .當(dāng) U C2U C1時,Buck 變換器不再工作 ,Boost 變換電路開始工作 .由于 U C2U C1,C 2中的能量將間接轉(zhuǎn)移到 C 1中.當(dāng)T 2導(dǎo)通時,一方面 C 2上的電壓 U C2經(jīng)L 2,T 2放電,能量存儲在 L 2中,另一方面 U dc 經(jīng)C 1和C 2重新分配電壓 ;當(dāng)T 2關(guān)斷 時,二極管 D 2導(dǎo)通,存儲在 L 2中的能量通過 D 2轉(zhuǎn)移到 C 1中.這樣,在 Boost 變換 模式中,通過調(diào)整 C 1兩端的電壓就可以抑制中點電位的偏移 ,直到 U C1=U C2.2.2 直流側(cè)電壓 U dc 降低情形下的中點電位的平衡當(dāng)輸

14、入電源發(fā)生脈動導(dǎo)致 U dc 減小至低于電壓保護設(shè)定值時 ,圖 2所示電路中 的T 3管關(guān)斷,此時的等效電路如圖 4所示.Boost 和Buck 變換器同時工作 ,不僅使 C 1,C 2上的電壓平衡 ,而且使它們的電壓之和等于所設(shè)定的 U dc 值.Buck 變換器調(diào)整 電容 C 2兩端的電壓 .T 1導(dǎo)通時,從U dc 流出的電流流經(jīng) T 1,L 1,C 2,使 L 1儲能;T 1 關(guān)斷時,L 1 中的能量轉(zhuǎn)換到 C 2中.與此同時 ,Boost 變換器將能量從 C 2轉(zhuǎn)換到 C 1 中,調(diào)整 C 1 兩端的電壓 ,其工作過程與上述 Boost 變換模式相同圖 4 T 3 關(guān)斷時的等效電路圖

15、 Fig.4 Equivalent cir cuit when T 3tur ns off3 電路參數(shù)的設(shè)計3.1 開關(guān)功率管的設(shè)計文獻(xiàn) 3中已經(jīng)證明 :中點電流最大值近似等于逆變器的輸出電流 .筆者提出的平 衡電路,中點電流最大值出現(xiàn)在 T 1導(dǎo)通、儲能電感 L 1 中電流線性增加過程中或出 現(xiàn)在 T 2導(dǎo)通、電流流經(jīng) C 2對L 2儲能的過程中 .因此即使在中點電位偏移最大情 形即中點電流最大時 ,流經(jīng) T 1,T 2的電流應(yīng)當(dāng)與流過三電平逆變器中開關(guān)器件的電 流值是相等的 .另外不難看出,T 1,T 2的耐壓值應(yīng)當(dāng)是三電平逆變器中開關(guān)器件耐壓值的 2倍.3.2 分壓 電容的設(shè)計每個分壓電

16、容承受直流側(cè)電壓的一半 ,因此對電容要求應(yīng)當(dāng)是電容的內(nèi)壓大于 U dc /2的電解電容 .為簡單起見 ,完全可以將 C 1,C 2設(shè)計為標(biāo)稱值相等的電容 C ,由 三電平逆變器的工作過程容易推出電容 C 的計算公式為C =I NP max 2X NP U NPR(1式中:I NP max 為流經(jīng)中點的電流最大值 ;X NP 為中點電位波動頻率 ;U NPR 為 中點電壓變化的最大值 .若設(shè)三電平逆變器三相輸出電壓電流的相位角為 H 、調(diào)制深度為 M 、輸出角 頻率為 X 、輸出電流有效值為 I ,則中點電位的偏移值 U NP 可以計算出來 ,中點電 壓變化的最大值 U NPR 也就很容易確定了

17、 .前已敘述 ,中點電流最大值近似等于逆變 器的輸出電流 ,因此流經(jīng)中點的電流最大值 I NP max 為I NP max =2I(2一般說,中點電位波動頻率 X NP 為逆變器輸出頻率X 的 3 倍 ,即X NP =3X(3結(jié)合式(1,(2,(3,容易計算出電容 C 的內(nèi)壓.可以看出 :電容的大小不僅與中點電流 的最大值有關(guān) ,還與中點電壓波紋大小及中點電壓頻率有關(guān) .3.3 儲能電感的設(shè)計在 Buck 變換模式中 , 流過儲能電感 L 1 的電流不能發(fā)生突變 ,只能近似線性地上 升或下降.設(shè)開關(guān)周期為 T ,開關(guān)管 T 1導(dǎo)通時間為 t on ,截止時間為 t off ,占空比為 k =t

18、 on /T .在開關(guān)管 T 1 導(dǎo)通時,忽略其飽和導(dǎo)通管壓降 ,則 L 1 兩端電壓為U L1=U dc -U C2(4又U L1=L 1$I L1max /t on(5式中:$I L1max 為 T 1導(dǎo)通期間儲能電感 L 1中流過電流增加量的最大值 .由式(1,(2可解得L 1=U L1t on /$I L1max =(U dc -U C2t on /$I L1max(6T 1 關(guān)斷時 ,U C2=L 1$I c L1max /t off(7式中:$I c L1max 為T 1關(guān)斷期間 L 1中流過電流減小量的最大值 .由$I L1max =$I c L1max , 可得397 第 3期

19、陶生桂 ,等:三電平逆變器中點電位平衡電路的設(shè)計與仿真U C2=kU dc(8將式(5 代入式(3 得L 1=1-kk U C2t on $I L1ma x =(U dc -U C2U C2T /U dc $I L1max =(U dc -U C1U C1T /U dc $I L1max(9在 Boost 變換模式中 ,根據(jù)同樣的道理 .可得 L 2的計算公式 .為方便起見 ,同樣可 以將 L 1,L 2 設(shè)計為相同標(biāo)稱值的電感 .3.4 開關(guān)頻率及占空比的設(shè)計平衡電路的開關(guān)頻率不能低于逆變器主電路開關(guān)頻率 ,否則抑制中點電位偏移 的效果將不明顯 .但是若平衡電路開關(guān)頻率過高 ,則不僅使器件損

20、耗增大 ,而且還會對 主電路產(chǎn)生不利影響 ,干擾主電路的正常工作 .一般取平衡電路的開關(guān)頻率為逆變器 主電路開關(guān)頻率的 24倍.占空比的設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足使得在 T 1 動作的 Buck 模式中,儲 能電感 L 1 中的能量完全轉(zhuǎn)換到 C 1中;在 T 2動作的 Boost 模式中,L 2 中的能量完 全轉(zhuǎn)換到 C 1 中,因此占空比一般可以設(shè)計為 40%60%.4 建模仿真及其分析筆者在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立了系統(tǒng)仿真模型 ,其中主要包括三電平逆變 器和中點電位平衡電路的數(shù)字化仿真模型 ,分別如圖 5a 和 b 所示.仿真模型中引入了時鐘 (Clock、正弦波(Sin Wav

21、e等信號源模塊以及增益 (K 、 積分運算 1/s 和微分 d u /d t 等運算模塊 .數(shù)字仿真模型更多地使用了數(shù)字邏輯模塊 , 完成諸如或 (OR、非(NOT 和異或(NOR 等邏輯運算 .=模塊是一個關(guān)系運算模 塊 ,Selector 為一個選路器模塊 ,eps 模塊是一個設(shè)定值誤差 .大量復(fù)雜的運算是通過函 數(shù)計算模塊 (Fcn來完成的.在圖 a 中,由信號源組合產(chǎn)生的控制信號通過一系列函數(shù) 運算最終輸出三電平逆變器的三相電壓 U A ,U B ,U C .在圖 b 中,輸入為中性點電流 和開關(guān)控制信號 Sw1,Sw2,輸出為 U C1,U C2. 仿真參數(shù)為 :三電平逆變器直流側(cè)輸入 電壓為 530V,輸出頻率為 10H z,采用雙三角波 (SPWM 調(diào)制 .控制電路中分壓電容值 為 3300L F, 儲能電感值為 3mH, 開關(guān)頻率為 2kH z, 占空比為 50%. 三相對稱負(fù)載等效 為 58 的純阻性負(fù)載 .圖 6 給出了仿真波形 .從仿真結(jié)果來看 ,應(yīng)用該硬件電路來抑制 2 個串聯(lián)電容中點電位偏