三電平逆變器基本介紹

1、三電平逆變器基本介紹、三電平逆變器的基本工作原理12VDCGND+BUSQD 13HQ3T，2/乂11 DCQIQ2Q3Q4r-rnmwUUWTW主電路圖 2 四個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動信號波形當(dāng) u0時(shí)，u = S* *1/2Dc，且 S* =1 表示 Q1 通 Q3斷，S*=0表示Q1斷Q3通；當(dāng) u0時(shí)，u = （S - 1門/ 2V,且 S*=1 表示 Q2通 Q4斷，S*=0表示Q2斷Q4通；由以上可見，S 1代表了 Q1通（輸出電壓的正半周）或 Q2通（輸出電壓的負(fù)半周），而由圖2可見，Q1正半周與Q2負(fù)半周 的驅(qū)動波形組合起來與原兩電平的上管驅(qū)動波形完全一致，因此 可以直接在原兩電平的控制

2、器平臺上進(jìn)行一定的修改，即可得到 適合于三電平的控制器。uS*1/2/DC*vmtDCV1(SVDC0 時(shí)圖 3 三電平逆變器模型（包括調(diào)制部分）二、三電平逆變器的緩沖電路121DCR2DQ4N1N2圖5實(shí)驗(yàn)中所采用的NP（緩沖電路22實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在突加 RCD負(fù)載時(shí)會在Q2 Q3上產(chǎn)生很大的 電壓尖峰，經(jīng)仔細(xì)分析，主要有以下兩個(gè)方面的原因：第一：在突加RCD負(fù)載時(shí)會產(chǎn)生很大的電流尖峰，由于控制板在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的狀況是當(dāng)出現(xiàn)過流信號時(shí)同時(shí)封鎖Q1Q2、Q3 Q4的驅(qū)動信號，從而導(dǎo)致 A點(diǎn)電位在封鎖Q1 Q2 Q3 Q4驅(qū)動瞬間的變化最大幅值可以達(dá)到 V，很類似于兩電平逆變DC 器工作時(shí)的狀態(tài)，容易

3、導(dǎo)致開關(guān)管上出現(xiàn)電壓尖峰。解決辦法：當(dāng)出現(xiàn)電流尖峰時(shí)僅僅封鎖 Q1 Q4的驅(qū)動信號，而Q2 Q3的驅(qū)動不封鎖，仍然保持原狀態(tài)不變，如此一來在封鎖Q1 Q4驅(qū)動瞬間A點(diǎn)電位的變化最大幅值僅僅為 1 ，因/ 2VDC 此大大減小了開關(guān)管上的電壓尖峰。第二：在突加RCD負(fù)載時(shí)輸出電壓的正負(fù)半周會出現(xiàn)誤判 的狀況。以一個(gè)實(shí)際的工作狀況對此加以說明，假設(shè)當(dāng)前處于橋臂輸出電壓的正半周，但是由于此時(shí)突加 RCD負(fù)載因此誤判為是在 電壓的負(fù)半周，因此會做以下操作：將原來處于開關(guān)狀態(tài)的 Q1 改為常斷；將原來常通的開關(guān)管 Q2改為開關(guān)狀態(tài)；將原來處于 開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)管Q3改為常通；將原來常斷的開關(guān)管 Q4改為

4、開關(guān)狀態(tài)，而在此轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中，負(fù)載電流很大，很容易在開關(guān) 管上產(chǎn)生電壓尖峰。圖6三電平逆變器的控制框圖解決辦法：在程序里再加一條粗略判斷橋臂輸出電壓正負(fù)半周的標(biāo)準(zhǔn)，即依靠 wS in Poi n來近似判別當(dāng)前橋臂輸出電壓的正負(fù)半周。程序里目前所采用的方法是：當(dāng)12wSi nPoi nter184時(shí)肯定是在輸出電壓的正半周，此時(shí)原來利用im進(jìn)行正負(fù)半周的判別不起作用；當(dāng) 2030在輸出電壓的負(fù)半周，滿足: m(t)0而且，正半周 Q1出現(xiàn)滿脈寬對應(yīng)于此時(shí)的s(t取最大值;而負(fù)半周Q4出現(xiàn)滿脈寬則對應(yīng)于此時(shí)的 s（t取最小值，在相鄰 兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)如果能夠保證 Q1與 Q4不會同時(shí)取較大的脈寬，

5、實(shí)際上也就可以保證 Q1與Q4不會同時(shí)導(dǎo)通了。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于在一個(gè)基波周期內(nèi)m（是連續(xù)的函數(shù)（當(dāng)然s（t則只是分段連續(xù)的函數(shù)），而m（t與m（之間的時(shí)間差異僅僅 為一個(gè)開關(guān)周期，因此 m（t與m（數(shù)值相差很小，從而也就不可 能使得正半周最后一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)s（t取最大的值（最大取值為T1PR而緊接著的負(fù)半周第一個(gè)開關(guān)周期s（t取最小的值（最小取值為0），因此穩(wěn)態(tài)時(shí)也就不存在 Q1與 Q4同時(shí)導(dǎo)通的可能性 了。但是，在動態(tài)過程中（如突加 RCD負(fù)載）由于會出現(xiàn)正負(fù) 半周判斷失誤的狀況（參考文獻(xiàn)1），有可能會使得Q1與Q4同時(shí)輸出較大的脈寬。假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為輸出電壓正半周的峰值點(diǎn) 處，顯然此時(shí)Q1為滿

6、脈寬，Q4斷態(tài)，若剛好在此時(shí)刻突加 RCD 負(fù)載，由于控制的原因使得 m（取值為負(fù)，從而導(dǎo)致輸出電壓正 負(fù)半周判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此立即關(guān)斷Q1開通Q4如果由控制計(jì)算出的m（t足夠小從而使得此時(shí)的 s（t）=2*（t）+1/2T1l會限 幅至0,那么Q4旦開通就輸出滿脈寬，由于Q1是滿脈寬關(guān)斷而Q4是滿脈寬開通，因此就使得Q1與Q4存在同時(shí)導(dǎo)通的可直觀上看來，T字型三電平拓?fù)渲?Q1與Q4之間必須存在死區(qū)時(shí)間才能保證不會導(dǎo)致 V 直通，這一點(diǎn)的分析與解決辦法DC見參考文獻(xiàn) 1。但是，在 I 字型電路拓?fù)洚?dāng)中，也存在 V 直通的DC 可能性，分析如下：設(shè)當(dāng)前時(shí)刻處于輸出電壓的正半周，而且此時(shí)各個(gè)開關(guān)

7、管的 開關(guān)狀態(tài)為：Q1導(dǎo)通、Q2導(dǎo)通、Q3關(guān)斷、Q4關(guān)斷，此時(shí)若突 然切換到輸出電壓的負(fù)半周（切換到負(fù)半周的原因很多，比方說 輸出電壓自然過零時(shí)從正半周穿越到負(fù)半周，或者由于突加 RCD 負(fù)載導(dǎo)致控制上判斷失誤而強(qiáng)迫轉(zhuǎn)入負(fù)半周），則有可能各個(gè)開 關(guān)管的狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為：Q1關(guān)斷、Q2關(guān)斷、Q3開通、Q4開通， 即存在Q1 Q2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，同時(shí) Q3 Q4由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通， 由于IGB開關(guān)管的開通時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其關(guān)斷時(shí)間（這也是掛在 直流電壓源上的同一橋臂開關(guān)管彼此之間必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間的 原因），因此如果在正半周Q1是滿脈寬（而Q2常通，肯定是滿 脈寬），而且負(fù)半周Q4也是滿脈寬（而Q3常通，肯定是

8、滿脈寬）， 那么就有可能導(dǎo)致 V直通。由此可見，I字型電路與T字型電路DC一樣存在 V 直通的問題。DCBUS2K乂DCGNDGNDVDCBUS圖8 I字型三電平電路拓?fù)淠壳霸诔绦蚶锛恿艘粭l粗略判斷橋臂輸出電壓正負(fù)半周的標(biāo)準(zhǔn)，即依靠 wSinPoin來近似判別當(dāng)前橋臂輸出電壓的正負(fù) 半周，在由此粗略判斷所得到的正負(fù)半周范圍內(nèi)不再利用m(t)進(jìn)行正負(fù)半周的判別，因此這樣一來，雖然還會出現(xiàn)正負(fù)半周誤 判的狀況(在此粗略判斷范圍之外的地方)，但是可以保證出現(xiàn) 誤判時(shí)刻的Q1脈寬不大，從而使得即使出現(xiàn)誤判后Q4的脈寬最大，但由于Q1的脈寬不是滿脈寬，因此也不會造成Q1與Q4同時(shí)導(dǎo)通的狀況。實(shí)際上，如果

9、任何時(shí)候都對開關(guān)管 Q1 Q4的最大脈寬加以限制的話，也可以避免 V直通的發(fā)生，如將 Q1 Q4的最大占DC空比限制為 98，那么 Q1、Q4 導(dǎo)通之間的最小時(shí)間間隔為 （1 -9貉）*52us=1Q4對目前逆變器上所采的開關(guān)管而言已經(jīng)可 以完全保證Q1 Q4不會同時(shí)導(dǎo)通了；同時(shí)由于限幅后占空比損 失不是很大4對波形的影響基本可以忽略。四、選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)與建議兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于控制上完全一致4因此在選用拓?fù)鋾r(shí)可以 忽略控制方面的因素4對拓?fù)涞倪x取起關(guān)鍵作用的是電路性能方 面的差異以及電路價(jià)格及結(jié)構(gòu)方面的因素。山特目前所開發(fā)的 ups依據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)具有各種不同的類型，既有小功率 UPS又有

10、大功率 UPS既有針對120V電網(wǎng)系統(tǒng)的UPS又有 針對230V電網(wǎng)系統(tǒng)的UPS因此很難針對所有的機(jī)型給出一個(gè) 統(tǒng)一的選擇，只能根據(jù)具體情況作出最佳選擇，具體如下：針對120V電網(wǎng)系統(tǒng)的UPS 一方面由于輸入電壓比較低，在同樣功率等級下所對應(yīng)的電流比較大，而T字型拓?fù)涞耐☉B(tài)損耗小于I字型，因此選擇T字型拓?fù)漭^合適；另一方面，由于輸 入電壓較低，在T字型拓?fù)渲蠶1Q4開關(guān)管的耐壓不會太大（假 設(shè)BUSfe壓選取為200V則可以選擇600V勺IGBT，因此不 成其為T字型拓?fù)涞娜秉c(diǎn)。綜合起來，可以說對120電網(wǎng)而言， T字型拓?fù)涫且粋€(gè)比較好的選擇。針對230電網(wǎng)而言，T字型拓?fù)渲蠶1 Q4開關(guān)管工作過程中所承受的高電壓將使得 T 字型拓?fù)涞膬?yōu)勢下降（假設(shè) BUS 電壓為345V則應(yīng)選取1200的IGBT ;而且由于電壓比較高， 相應(yīng)的電流也會下降，從而使得 I 字型電路通態(tài)損耗較大的缺點(diǎn) 不會體現(xiàn)得那么明顯。因此，針對230V電網(wǎng)而言，I字型拓?fù)渑cT字型拓?fù)浠ビ袃?yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)電路設(shè)計(jì)當(dāng)中的指導(dǎo)思想來 選取相應(yīng)的電路拓?fù)?。對于不同功率等級?