二极管钳位式多电平逆变器的分析
多电平逆变器简介
多电平逆变器主要有三种拓扑结构:二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压,控制困难,实际应用中还是三电平电路为主,一般不超过五电平。
飞跨电容型,亦称电容箝位型,同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题,实际应用较少。
级联型多电平逆变器,又称链式逆变器,以普通的单相全桥(H桥)逆变器为基本单元,将若干个功率单元直接串联,串联数越多,输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题,电路可靠性提高,易于模块化,适合7电平、9电平及以上的多电平应用,是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为:在上述的多电平逆变器的PWM控制法中,空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器,五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多,控制算法复杂,不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器,适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法,既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器,也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM 控制法和开关频率优化PWM控制法,则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波,因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器,载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法,可提高等效开关频率,控制效果更好。
多电平三相逆变器中,空间矢量密集,可供选择的矢量模大小种类很多,电压合成更加接近正弦波,所以多电平的空间电压矢量法控制进度高,输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中,此时空间电压矢量法控制算法非常复杂。
PWM.型多电平逆变器一、NPC)2优点:1)可根据不同的需要选择不同的功率器件,提高功率器件的利用率;)3电平数越大,输出电压的谐波含量就越少,输出电压波形与正弦波就越接近;可直接实现大功率和高电压,功率变换装置的成本降低。
多电平逆变器技术介绍
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史,然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平;逆变器;钳位;级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器,他在两电平半桥式逆变器电路的基础上,加人了开关管辅助钳位电路,得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式,故只能得到三电平输出,即使增多开关管也不能得到多电平输出,所以只能算是一种多电平逆变器的雏形,还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年,日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展,在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要,又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现,1983年,P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年,Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年,法国学者T. A. Meynard和H. Foch,提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后,在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上,提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题,并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
二极管钳位式多电平逆变器的拓扑结构分析
收稿日期:2002-10-14作者简介:吴志红(1961-),男,浙江宁波人,教授,工学博士.E mail:zhihong.w u@二极管钳位式多电平逆变器的拓扑结构分析吴志红1,陶生桂2,崔俊国2,毛明平2(1.同济大学中德学院,上海 200092; 2.同济大学沪西校区铁道与城市轨道交通研究院,上海 200331)摘要:为了解决低压(中压)主开关器件在高压应用情况下的矛盾,国外有许多学者提出了多电平逆变技术,并在铁路牵引系统中有初步应用.在分析三电平和五电平逆变器基础上,对多电平逆变器的拓扑结构进行归纳分析,总结出多电平逆变器的通用结构,并对多电平逆变器进行了电压空间矢量分析.关键词:多电平逆变器;电压空间矢量;钳位中图分类号:T M 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)10-1217-06Analysis on Topology Structure of Diode clam pingMulti level InverterW U Zhi hong 1,TA O Sheng gui 2,C UI J un guo 2,MA O M ing p ing 2(1.Sino German College for Post graduates,T ongji U niversity,Sh anghai 200092,China;2.Research Institute of Railw ay and Urban Mas s Tran sit,Tongji University West Campu s,Sh anghai 200331,China)Abstract :M any authors abroad proposed multi level inverter technology applied in the system of railw ay trac tion,to solve the difficulty in low voltage (medium voltage)m ain sw itch device applied to high voltage.The article analyzes the topology structure of multi level inverter and summaries the universal structure of multi level inverter,on the basis of analyzing three level and five level inverters.At the same time,the article ana lyzes and studies multi level inverters based on voltage space vector.Key words :m ulti level inverter;voltage space vector;clamping为了节约能源,提高生产效率,降低生产成本,采用高压大功率变频器成为人们的首选.但仍有一定技术上的困难阻碍变频调速技术在高压大容量场合中的应用,主要因素有: 逆变器主管耐压值不够高,与电力系统中高压范围不能直接匹配; 高电压电力电子器件的开关损耗较大,影响到逆变器的工作效率;!开关(脉冲)频率不能太高,逆变器输出波形的谐波含量较大,对有些负载装置要求高供电质量时还需要额外增加滤波器等.随着电力电子技术的发展,尤其是变频调速技术的发展,高压大功率调速技术逐步在各行业得到了一定的应用.在国内外铁路电牵引方面,网压多采用25kV AC 和15kV AC 供电方式,对于中间直流回路电压大于4kV DC 的牵引系统,需采用高压逆变技术.对于具有高速开关特性的开关功率器件,是不允许直接串联的.否则由于器件开关特性的分散性,中间回路的高电压直接加在晚开通的器件上,使晚开通开关功率器件可能承受高压而被击穿,进而导致整个桥臂上开关功率器件损坏.这种情况下采用开关功率器件直接串联将带来麻烦的开关功率器件的静态和动态的均压问题.大容量开关器件的发展也会随其物理性质而逐渐达到极限,而且容量越大,器件成本越高,实用性、可靠性就会大大降低.目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多,相应的开关功率器件容量也越来越大.其主要有3种基本的拓扑结构: H 桥级连式(多重化); 电容钳位式;!二极管钳位式.这些直接高压变频器拓扑结构因输出电压第31卷第10期2003年10月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.31No.10 Oct.2003比通用二电平变频器输出电平数多,而被称为多电平变频器.所谓多电平逆变技术,就是指逆变器输出相对于中间直流回路中点有多个电平.当电平数为3时,称为三电平逆变器,并可依此类推.下面就以三电平、五电平逆变器为例对二极管钳位式拓扑结构进行分析,以得到通用的二极管钳位式多电平逆变器拓扑结构.1 三电平逆变器[1]三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最有实用意义的一种电路.它属于电压型逆变器.所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有3种取值的可能,即正端电压、负端电压和中点零电位.图1 三电平逆变器一相电路的原理图Fig.1 Principle of one arm circuit of 3 level inverter三电平逆变器主电路拓扑图最早是由德国学者提出的,它的结构如图1a 所示.这种拓扑结构仅仅是为了改善电压质量,降低电压谐波分量,在二点式的基础上在中间直流回路增加了一个零电平(由反并联的2个开关器件引出,并把零电平引入到逆变回路).后来经过日本学者的发展,用功率二极管代替主开关管,并利用中间的主开关器件把功率二极管引出的零电平加到输出端上,从而利用功率二极管的钳位达到输出电位相对于中间直流回路有3个值的目的.其结构如图1b所示.图中,三电平逆变器每一相主开关管数与续流二极管数都为4,钳位二极管数为2,电容数为2,平均每个主管承受正向电压为E d /2.比较图1a 和图1b 可知,图1b 采用的钳位二极管不但能达到引出中点电位的目的,而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半,从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能,同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾;并且用功率二极管代替开关器件可以降低逆变器的生产成本.图1b 所示的结构图成为三电平逆变器主电路中目前较为流行的拓扑结构.由于这种拓扑结构采用的是功率二极管钳位得到的中点电平,因此有人又称这种结构为中点钳位式结构(或二极管钳位式结构).将三电平逆变器拓扑结构引入到多电平逆变器中去,从而可得到实用的多电平逆变器结构图(即二极管钳位式逆变器拓扑结构).在第3节中将以五电平逆变器为例,讨论多电平逆变器的通用型拓扑结构.由电压空间矢量的定义,逆变器输出电压空间矢量为V r =(2/3)(V A + V B + 2V C ).式中: =e j2 /3,为矢量旋转因子;V A ,V B ,V C 为逆变器输出相电压.图2 三电平与二电平逆变器电压空间矢量图Fig.2 Spa ce volta ge vector representa tion of 3 level and 2 lev el inv erters 在电容分压均匀的前提下,把三电平逆变器输出电压代入电压矢量定义式,可得到其矢量图,如图2a 所示.通过计算分析可知道,三电平逆变器电压矢量图中最长的矢量幅值为(2/3)E d ,其他矢量幅值依次为:(1/3)E d ,(1/3)E d ,0,共有4种矢量幅值.三电平逆变器共有33=27种电压空间矢量,其中独立的电压矢量为1+1∀6+2∀6=19个,依次连接相邻的2个电压空间矢量,并定义以原点(零矢量)为中心的最外边的六边形为第1个六边形,依次向内的六边形为第2个、第3个(第3个六边形可看成缩至为零的虚六边形,即零矢量),则三电平逆变器电压空间矢量图共含有3个六边形.第1个六边形的边上中点与顶点处是独立的电压矢量,第2个六边形顶点处重复矢量数为2,第3个虚六边形原点重复矢量数为3.把矢量幅值与之对应起来,可以很清楚地看出三电平电压矢量分布规律.对矢量图分析一般按照对称原则,只分析其中60#区域.对于三电平逆变器矢量图,60#区域小三角形个数为:1+3=4.三电平逆变器输出相电压从波谷到波峰之间的电压等级数为:4∀2+1=9,输出线电压从波谷到波峰之间的电压等级数为:2∀2+1=5.而二电平逆变器对应的输出相电压的电压等级1218 同 济 大 学 学 报第31卷数为:4∀1+1=5;输出线电压的电压等级数为:2∀1+1=3.上述的分析方法可以应用到多电平和二电平逆变器中.以二电平逆变器电压矢量图为例,其矢量图如图2b 所示.该矢量图中共含有2个六边形,第1个六边形顶点处是独立的电压矢量,第2个虚六边形(原点)重复矢量数为2;60#区域小三角形个数为1;含有23=8种电压空间矢量,其中独立的电压矢量为7个。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构:二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压,控制困难,实际应用中还是三电平电路为主,一般不超过五电平。
飞跨电容型,亦称电容箝位型,同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题,实际应用较少。
级联型多电平逆变器,又称链式逆变器,以普通的单相全桥(H桥)逆变器为基本单元,将若干个功率单元直接串联,串联数越多,输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题,电PWM控弦波,5电平以一、NPC型多电平逆变器优点:1)可根据不同的需要选择不同的功率器件,提高功率器件的利用率;2)电平数越大,输出电压的谐波含量就越少,输出电压波形与正弦波就越接近;3)可直接实现大功率和高电压,功率变换装置的成本降低。
缺点:1)每相桥臂开关器件的工作频率不同,造成了各开关器件的负荷不一致;2)对于m电平电路来说,每个桥臂需要(m-1)(m-2)个箝位二极管,即随着电平数的增加,所需箝位二极管数目将快速增加,成本增加;3)电平数越大,利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量,3个零矢量,独立的空间电压矢量有19(=1+1*6+2*6)个,60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上,2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系,取g轴与α轴重合,逆时针旋转60°为h轴,设参考矢量,坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为:则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为:归一化处理后(矢量坐标整数化),将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系,得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示:②矢量分区方法扇区的确定方法:空间矢量图可分成6个扇区(A-F),设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
二极管钳位三电平逆变器的多载波交替相位反向层叠调制_
二极管钳位三电平逆变器的多载波交替相位反向层叠调制1. 引言1.1 概述二极管钳位三电平逆变器是一种常用的功率电子装置,广泛应用于工业控制、通信系统和可再生能源等领域。
它具有简单的结构、高效率和较低的成本,可以实现直流电源到交流电源的转换。
同时,多载波交替相位反向层叠调制是一种常见的调制技术,可以在减少谐波失真的同时提高系统传输效率。
1.2 文章结构本文将首先介绍二极管钳位三电平逆变器的原理和实现方式。
其次,我们将详细讨论钳位技术和三电平逆变器技术,并分析它们对系统性能的影响。
然后,我们将引入多载波调制概念,并重点介绍相位反向层叠调制技术。
最后,我们将研究多载波交替相位反向层叠调制在二极管钳位三电平逆变器中的应用,并进行实验设计和结果分析。
1.3 目的本文旨在深入研究二极管钳位三电平逆变器以及多载波交替相位反向层叠调制技术,并探讨它们在电力转换和传输系统中的应用。
通过实验设计和结果分析,我们将评估这些技术对系统性能的影响,并提出改进措施。
最终,我们希望为相关领域的研究和实际应用提供有价值的参考和指导。
2. 二极管钳位三电平逆变器2.1 原理介绍二极管钳位三电平逆变器是一种用于将直流电压转换成可控交流电压的逆变器。
其原理基于两个主要概念:二极管钳位技术和三电平逆变器原理。
2.2 钳位技术原理钳位技术,即双向开关钳位控制技术,用来限制输出电压的振幅并保持其始终在一个固定的范围内。
它利用了在两个可供选择的输出路径之间切换以控制输出电压的大小。
通过这种方式,可以实现对逆变器输出电压的精确控制。
2.3 三电平逆变器原理三电平逆变器是指在每个周期内将正半周和负半周分成了三个不同的电平,在不同的时间段内改变开关状态以产生所需的交流输出波形。
由于使用了多个开关,该方法具有比传统的双电平逆变器更高的转换效率和更低的谐波畸变。
在二极管钳位三电平逆变器中,采用了经典全桥式拓扑结构,并利用了二极管的导通和截止特性来实现钳位技术。
低调制度下二极管箝位型多电平 逆变器新型PWM控制方法
[收稿日期] 2006-11-15;修回日期 2007-01-29[作者简介] 辛 想(1982-),男,山东济宁市人,山东大学控制科学与工程学院研究生低调制度下二极管箝位型多电平逆变器新型PWM 控制方法辛 想1,张庆范1,胡顺全2,李瑞来2(1.山东大学 济南250061;2.山东新风光电子科技发展有限公司 山东 汶上272500)[摘要] 二极管箝位型多电平逆变器作为一种应用于高压大功率变换场合的变换器,其PWM控制技术是研究的核心内容之一。
本文针对已有载波PWM方法中低调制度下电平退化的问题,提出了一种新颖的载波PWM方法,既便是在低调制度下,所有的电平都能够得到应用。
仿真结果表明,这种方法可以提高二极管箝位型逆变器在低调制度下的器件利用率,使得逆变器在低调制度下工作于较高频率。
[关键词] 二极管箝位型逆变器;载波PWM;低调制度;冗余状态[中图分类号] TM464 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2007)10-0091-061 引言自日本长冈科技大学的南波江章于1980年在IAS年会上提出三电平二极管箝位式结构以来[1],二极管箝位型逆变器在静止无功补偿,电气传动和电力有源滤波等领域得到了广泛的应用。
二极管箝位型五电平逆变器的电路拓扑结构如图1所示。
图1 二极管箝位型五电平三相逆变器主电路Fig .1 Three -phase five -level diode -clampedinverter structure多电平逆变器是调速驱动和无功补偿等装置的核心部分,但是对于许多这样的装置,多电平逆变器有时必须工作在低调制度区域,并且如果采用传统的载波PWM,逆变器的一些电平就得不到应用。
现有的多电平PWM控制技术大都是由传统的两电平的PWM控制方法延伸而来[2],但是它们在低调制度下都会出现电平不能够全部得到应用的问题,也就是电平退化的问题。
作者提出了一种新型的载波PWM调制方法,采用这种方法可以解决低调制度下电平退化的问题,同时还可以提高二极管箝位型逆变器在低调制度下的器件利用率。
二极管钳位三电平逆变器电源设计
( Hu n a n V a l i n L Y S t e e l Ma i n t e n a n c e C e n t e r , L o u d i , H u n a n 4 1 7 0 0 9 , C h i n a )
Ab s t r a c t : A d i o d e — c l a mp e d t h r e e — l e v e l i n v e te r r p o we r s u p p l y b a s e d o n DS P i s i n t r o d u c e d . A p u s h -p u l l c i r c u i t i s a p p l i e d t o
i n v e r t e r ' s d u t y c y c l e i s a d j u s t e d v i a P I a r i t h me t i c t o a c h i e v e c l o s e d - l o o p c o n t r o 1 . T h e f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n s c h e m e i s v e r i i f e d
相 比煤 、 石油、 天 然 气 等传 统 能 源 , 太
阳能和风能是取 之不尽 用之 不竭 的新 型环
收稿 日期 : 2 0 1 3 — 0 3 — 0 3
中图分类号 : T M4 6 4 . 2 2 文献标识码 : A
De s i g n o f Di o d e - - c l a mp e d Thr e e ・ - l e v e l I n v e r t e r Po we r S u pp l y
二极管箝位多电平背靠背变流器
图 2-12:均压电路驱动信号
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电力电子建模与仿真:二极管箝位多电平背靠背变流器
3.仿真结果
3.1 仿真参数的设置 交流侧: 输入电压 380V;频率:50Hz;线路阻抗:R=0.01Ω,L=100μH。 逆变驱动信号:载波周期为 0.02/1000s,频率为 50K;信号波的周期为 100 π。 3.2 仿真结果 (1)纯有功负载(有功功率为 1000W) : 整流输出侧均压波形:
根据上面的框图以及原理说明可以搭建仿如下的真电路的控制器, 其结构如 图所示:
图 2-3:整流侧控制器仿真电路
Байду номын сангаас
2.2 逆变电路 多电平逆变电路如下图:
图 2-4:多电平逆变电路
先以一相做原理分析:8 个 IGBT 开关管 S41、S42、S43、S44、S45、S46、
-4-
电力电子建模与仿真:二极管箝位多电平背靠背变流器
根据上面的均压原理可以得到以下的状态表:
表 1-2
STATE S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 T1 T2 T3 T4 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 C 与 C1 相连 C 与 C2 相连 C 与 C3 相连 C 与 C4 相连
Vb 和 Vc 信号, Vb 和 这三路信号分别作为整流电路三相的控制信号波, 信号波 Va 、 Vc 与三角载波比较输出三相脉冲控制信号,下图就说明了整流侧 A 相控制信号
的产生方法。 获得的 A1~A8 八路信号分别控制 A 相的 8 个 IGBT 的开通和关断。
二极管箝位电路的分析思路
二极管箝位电路的分析思路【摘要】二极管箝位电路是一种常用的电路设计,在电子学中有着广泛的应用。
本文将从引言、二极管箝位电路的分析思路和结论三个部分来探讨这一话题。
在将介绍二极管箝位电路的基本概念和作用,为后续内容铺垫。
在将详细分析二极管箝位电路的工作原理和特点,以及分析设计这种电路时需要考虑的关键因素。
通过分析思路部分,读者将能够理解如何有效地设计和调试二极管箝位电路,提高电路的性能和稳定性。
最后在将总结本文的主要内容并指出二极管箝位电路在实际应用中的重要性。
整体而言,本文对二极管箝位电路的分析思路进行了全面解析,有助于读者更好地理解和应用这一电路设计。
【关键词】二极管箝位电路、分析思路、引言、结论1. 引言1.1 引言二极管箝位电路是电子电路中常见的一种电路结构,它可以实现对信号的限幅和保护作用。
在设计和分析二极管箝位电路时,需要一定的思路和方法。
本文将介绍二极管箝位电路的分析思路,希望能为读者提供一些启发和帮助。
我们需要了解什么是二极管箝位电路。
二极管箝位电路是利用二极管的导通特性和非线性特性来实现信号的限幅和保护功能的一种电路结构。
通过合理地设计二极管的工作点和电路连接方式,可以达到对信号进行有效处理的目的。
在分析二极管箝位电路时,我们需要考虑二极管的导通和截止特性,以及电路中其他元器件的影响。
通过分析电路的工作原理和信号传输路径,可以准确地理解电路的功能和性能。
还需要注意电路中的电压和电流波形变化,以及信号的频率和幅度范围。
通过对这些参数的分析,可以更好地优化电路设计,提高电路的性能和稳定性。
2. 正文2.1 二极管箝位电路的分析思路二极管箝位电路是一种常见的电路,可以用来限制信号的幅度或保护其他元件不受过高电压的影响。
在分析二极管箝位电路时,我们需要注意以下几个方面:1. 电路结构:首先要理解二极管箝位电路的基本结构,包括输入信号源、二极管、电阻等元件的连接方式。
根据电路的具体结构,可以确定箝位电路的工作原理。
典型多电平逆变器拓扑结构
典型多电平逆变器拓扑结构从当前资料上能够得到的典型多电平逆变器,根据其结构形式可分为钳位式多电平逆变器和具有独立直流电源的级联式多电平逆变器两种,近年来还有采用级联叠加变压器的多电平逆变器等新型的多电平逆变器拓扑结构见诸文献资料,鉴于本项目采用的多电平逆变器结构,以下仅对典型多电平逆变器分类介绍。
一、钳位式多电平逆变器钳位式多电平逆变器是由基本逆变单元通过串、并联组合而成的单一直流电源、半桥式结构形式的多电平逆变器,主要包括二极管钳位式多电平逆变器(diode-clamped multi-1evel inverter)、电容钳位式多电平逆变器(flying-capacitor multi-1evel inverter)、混合钳位式多电平逆变器以及通用钳位式多电平逆变器。
二极管钳位式多电平逆变器是由德国学者于1977年首先提出,主要包括二极管串联钳位和二极管自钳位式多电平逆变器,采用多个二极管对相应的开关管进行钳位,同时利用不同的开关状态组合得到不同的输出电平数。
串联钳位结构解决了功率开关管串联均压问题,提高了输出电压的电平数,使输出电压和电流的总谐波含量大大降低,但是由于二极管的电压应力不均匀,需要不同的反向耐压,且在开关状态改变时,电流回路发生改变,钳位二极管电压突变,由于二极管杂散性,可能导致某个二极管承受的反向电压过高。
二极管自钳位式多电平逆变器解决了钳位二极管受压不均的问题,不但可以将功率开关管钳位在单个直流分压电容上,二极管也被钳位在单个直流分压电容电压上,避免了二极管直接串联存在的安全隐患。
二极管钳位式多电平逆变器所需的钳位二极管数量随着电平数的提高大大增加,导致成本提高、系统可靠性降低,所以采用该结构时直流侧分压电容一般少于四个。
图1.5 二极管钳位式逆变器,左为串联钳位、右为自钳位电容钳位式多电平逆变器是由法国学者于1992年首先提出,用多个飞跨电容取代二极管对功率开关进行钳位,利用不同的开关组合得到不同电平的输出电压,解决了二极管钳位式多电平逆变器中功率开关阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速回复的问题。
二极管钳位型、混合钳位型三电平逆变器直流侧电容电压平衡问题
基础上增加一个悬浮电容,构造两组双向通 路,实现在高频脉宽调制下两个直流侧电容 和一个悬浮电容电压的动态平衡,进而保证 电容在非理想条件下仍然可以均压,同时在 逆变器软启动时对悬浮电容进行建压。待悬 浮电容的电压上升至直流侧电容电压后,逆 变器开始工作,输出三电平电压。另外,由 于钳位电路的特点,悬浮电容为两个内侧开
图 4 改进型三电平逆变器主电路 Fig.4 Topology of the improved three-level inverter
直流电容电压平衡控制策略的基本思想 为:S1 和 S3 为 a 组开关,S2 和 S4 为 b 组开关; a 组、b 组开关互补导通。在调制波 us 正半周 期内,当 us 大于载波 u1 时,a 组开关导通, b 组开关关断,S1、S3、C1 和 C3 组成双向通 路,实现直流侧电容 C1 与悬浮电容 C3 电压平 衡,当 us 小于载波 u1 时,b 组开关导通,a 组开关关断,S2、S4、C2 和 C3 组成双向通路, 实现直流侧电容 C2 与悬浮电容 C3 电压平衡; 在调制波 us 负半周期内,当 us 大于载波 u2 时, a 组开关导通,b 组开关关断,S1、S3、C1 和 C3 组成双向通路,实现 C2 与 C3 电压平衡, 当 us 小于载波 u2 时,b 组开关导通,a 组开关 关断,S2、S4、C2 和 C3 组成双向通路,实现 C2 与 C3 电压平衡。a、b 两组开关管交替导通 时,就能实现 3 个电容直接或间接的并联, 实现 3 个电容之间动态的电压平衡, vC1=vC2=vC3,满足了三电平逆变器能够正常工 作的 2 个前提:一是悬浮电容电压保持稳定, 二是直流侧分压电容均压。
由于 C1<C2,式(4)、(5)和(6)得到:
二极管中点钳位型三电平结构
二极管中点钳位型三电平结构
二极管中点钳位型三电平结构是一种电路设计中常用的结构,它常用于功率变
换电路中。
这种结构可以提供更高的电压转换效率和更低的电流谐振噪声。
在二极管中点钳位型三电平结构中,主要由两个二极管和一个电容组成。
其中,两个二极管分别置于输入端和输出端,并通过电容连接在一起。
该电容的作用是提供负反馈,并且使得输出电压能够保持在指定的范围内。
这种结构的工作原理如下:当输入信号超过设定的阈值电压时,第一个二极管
会开始导通,使得电容开始充电;而当输入信号低于阈值电压时,第二个二极管会导通,使得电容开始放电。
通过这种方式,电容的电压在一个合适的范围内维持稳定。
使用二极管中点钳位型三电平结构的一个重要优点是能够提供更高的电压转换
效率。
这是因为在正半周期和负半周期,二极管会导通,使得电容能够充电和放电,减小了能量损耗。
此外,这种结构还具有更低的电流谐振噪声,因为在电容的帮助下,输出电流能够保持在更稳定的范围内。
在实际应用中,二极管中点钳位型三电平结构常用于高性能功率变换器、直流
电-直流电转换器和电能变换器等领域。
它可以在保证稳定输出的同时,提升电路
的效率和减小噪声,从而满足不同应用的要求。
总之,二极管中点钳位型三电平结构是一种在电路设计中常用的结构,它能提
供高效率的电压转换和低噪声的输出特性。
在不涉及政治的情况下,我们可以继续探索这种结构在不同领域的应用和优化。
二极管箝位型三电平PWM变流器研究的开题报告
二极管箝位型三电平PWM变流器研究的开题报告1.研究背景与意义随着电力电子技术的不断发展,变流器已经成为电力电子技术中不可或缺的一部分。
PWM变流器因其控制精度高、稳定性好、效率高等优点,已经成为最流行的变流器之一。
但是,PWM变流器在实际应用中存在的问题是,开关器件的切换损失会导致系统的热损失和谐波产生,对系统的稳定性和工作效率造成影响。
为了解决这些问题,现在出现了很多改进的PWM变流器技术,其中三电平PWM变流器技术是一种比较有效的技术。
它采用二极管箝位型结构,可以减少开关损失和谐波,降低系统热损失,提高系统的稳定性和工作效率。
因此,研究三电平PWM变流器的原理和控制方法,具有重要的理论和实际意义。
2.研究内容与方法本文旨在详细研究三电平PWM变流器的原理、控制方法和可行性分析。
具体研究内容如下:(1)三电平PWM变流器的原理及二极管箝位型结构的组成原理。
(2)基于电流控制的三电平PWM变流器控制方法分析,并对其在不同负载条件下的性能进行实验验证。
(3)分析三电平PWM变流器的可行性,比较其与传统PWM变流器在性能上的优劣势。
本文采用理论研究与实验验证相结合的方法,对三电平PWM变流器进行深入探讨。
利用Matlab/Simulink和PSIM软件对电路建模和仿真实验,并通过实验台搭建进行实验验证。
同时,本文还从理论和实际应用的角度探讨了三电平PWM变流器的优缺点和应用前景。
3.预期成果与意义本文预期的成果包括:(1)深入探讨了三电平PWM变流器的原理和控制方法。
(2)结合实验验证,分析了三电平PWM变流器在不同负载条件下的性能表现。
(3)比较分析了三电平PWM变流器与传统PWM变流器在性能上的优劣势。
研究成果对于电力电子研究领域具有一定的意义。
具体意义如下:(1)为电力电子技术发展提供了新的思路和解决方案,提高了电力控制和转换系统的效率和稳定性。
(2)为电力电子自动化和智能化领域提供了理论和技术支撑。
二极管钳位型三电平变换器开关损耗分析
( 4)
式 中 , erf (a, b) =
2
e π ∫a
b
−t 2
dt ; t1 − t0 =
I d0 ,其 dI R dt
中 dI R / dt 为 二 极 管 的 反 向 恢 复 电 流 变 化 率 ;
trra =
trr , trrb=trr − trra 。 (1 + SD )
70
电 工 技 术 学 报
ED( off ) =
=
∫t
t3
0
Vd (t ) I d (t )dt
+ (e1 2 − 1) I rrm trraVds +
I d0 ( t1 − t0 ) Vds 2
1 π I rrm trrb [2Vd0 erf (0, ln10) + 4 ln10 2(Vds − Vd0 )erf (0, 2 ln10)]
2. Hefei University of Technology Abstract
230009
The designer of multilevel converter must model the switching losses of converter
switches to optimize the performance of system. The turn-on or turn-off behaviors of devices are characterized by some parameters. Representative waveform expressions of fast recovery diode and IGBT, which are derived based on the inherent mechanism using these parameters, are presented in this paper. Moreover, the switching losses models are also set up based on the knowledge of turn-on and turn-off principles in diode-clamped three-level converter. The simulation and experimental results demonstrates the validities of these models of the semiconductor devices. Keywords: Three-level converter, characteristic parameters, turn-on or turn-off model, switching losses 对于两电平变换器已经提出了一些较为精确估 算开关损耗的方法。通过测量得到开关器件的特定 开关函数法 [3] ;或通过查表或曲线拟合方法来定义 开关损耗作为电压、电流、结温的函数法 [4-5] ;或利 用几何方法近似表达典型电压、电流开关波形,利 本文将要分析的 用这些表达式来计算开关损耗 [6-7] 。 功率器件开关损耗方法就是后一种方法的拓展。半 导体器件开关期间的电压、 电流波形理论上是电压、 电流前期和后期值的函数 [8] ,通过表征开关波形的 几个特性参数,根据波形产生的内在原理来拟合逼 近实际开关电量波形,利用这个估计的波形,可以 较为精确地估算出大约只持续几百 ns 开关过程的开
二极管箝位式多电平逆变器直流侧电容电压不平衡机理的研究
1
引言
在高电压功率变换系统中,如高压交流调速以
及电力系统静止无功发生器、电力有源滤波器以及 新型直流输电等 FACTS 装置,多电平逆变器由于 有许多优点而成为了国内外专家学者的研究热点。 与传统的两电平逆变器相比,多电平逆变器具有以 下特点:①可使用耐压较低功率开关器件输出较高 的电压;②输出电压波形由多个台阶组成,通过提 高电平数目能产生近似正弦的输出电压;③输出电 压 dv /dt 相对较低,降低了器件封装绝缘和负载绝 缘,并且具有较小的电磁干扰。多电平逆变器拓扑 结构目前主要有三种:①飞电容(flying capacitors) 拓扑结构;②级联式 H 桥(cascaded H bridges)拓扑 结构,该结构已成功的用于高压交流调速[1]和静止 无功发生器[2]; ③二极管箝位式(diode clamp)拓扑结 构,这种结构是由 A.Nabae、 H.Akagi 等人于 80 年 代初提出的中性点箝位式逆变器[3]的扩展,由于该 逆变器结构不要求相互独立的直流电源来维持每 个电平电压,不需要变压器而可以与电网直接相 连,因此比级联式具有更广阔的应用领域。
直流侧负端电压为 式中 u a 0 = S a VC S a = 0 ,表示 S′a1 、 S′a 2 、 S′ a 3 、 S′ a 4 或其反并
联二极管同时导通; S a = 1 ,表示 S′a1 、S′a 2 、 S′ a3 同 时导通或 Sa1 导通; Sa = 2 ,表示 S′a1 、 S′a 2 同时导 通或 Sa1 、 Sa 2 同时导通; Sa = 3 , 表示 S′a1 导通或 Sa1 、 Sa 2 、 Sa 3 同时导通; S a = 4 ,表示 Sa1 、 Sa 2 、 Sa 3 、 Sa 4 或其反并联二极管同时导通。 同理, B、 C 相输出电压对直流侧负端电压为: u b 0 = S b VC ,u c 0 = S cV C ,式中 S b 、Sc=0, 1, 2, 3, 4。 同样,上述关系也适合于 M 电平 DCMLI ,此 时 S a 、 S b 、 S c = 0, 1, 2, Λ , M − 1 。 负载中性点 N 电压为 u N 0 = (u a 0 + u b 0 + u c 0 ) / 3 = (S a + S b + S c )VC / 3 其负载相电压(各相输出电压对中性点 N 之间的电 压)为 u a u a 0 − u N 0 2 S a − S b − S c u = u − u = V C 2 S − S − S (1) N0 b c a b b0 3 u c u c 0 − u N 0 2 S c − S a − S b 根据空间矢量的定义,以 A 相为参考轴的合成 空间电压矢量和合成电流空间矢量为 V s = 2(u a + u b ⋅ e j120° + u c ⋅ e j 240° ) / 3 I s = 2(i a + i b ⋅ e
二极管钳位型三电平逆变器电路
二极管钳位型三电平逆变器电路虽然多电平拓扑结构种类较多,但是大致可分为:二极管钳位型,飞跃电容型和独立直流电源级联多电平这三种拓扑结构。
这三种多电平拓扑结构各有优缺点,其中应用最广泛的是二极管钳位型多电平拓扑结构。
本文的研究对象主要是二极管钳位型三电平逆变器。
在图1所示的二极管钳位型三电平逆变器中,相对逆变器直流侧中点的参考电位0,逆变器的输出电压除了两电平逆变器输出电压+UD/2和-UD/2,还增加了第三个电平值0。
图1中采用了12个可关断功率器件和6个钳位二极管,在直流侧接有2个等电容量的电容分别是C1,C2,每个电容分担的电压为UD/2,并且通过钳位二极管的钳位作用,使每个开关器件上承受的电压限制在一个电容电压(UD/2)上,从而大大减小了开关器件的电压应力。
图1 二极管钳位型三电平逆变器与三相两电平逆变器相同,三相三电平逆变器也可以用开关变量Sa、Sb、Sc分别表示各桥臂的开关状态,不同的是这时A、B、C桥臂分别有三种开关状态,从而Sa、Sb、Sc为三态开关变量,如表1所列。
表1 三电平(NPC)逆变器A相开关状态Uao Sa1 S a2 S a3 S a4 S a+UD/2 1 1 0 0 20 0 1 1 0 1-UD/2 0 0 1 1 0因此,A相输出端A对电源中点0的电压uAO可以用A相开关变量Sa结合输入直流电压UD来表示uAO=·UD (1)输出线电压可表示为uAB=uAO-uBO=UD·(Sa-Sb) (2)整理即为=UD··(3)与三相两电平逆变器相同,三相三电平逆变器可以定义逆变器的开关状态为(SaSbSc),则三电平逆变器有27个开关状态,分别对应着19个特定的空间电压矢量,如图2所示,并将整个矢量空间分成24个扇区。
由图2可以看出,19种空间电压矢量可分为长矢量,中矢量,短矢量和零矢量,分别对应着1个,2个和3个不同的冗余开关状态,如表2所列。
二极管钳位型和t型 三电平 svpwm调制
文章标题:深度探讨二极管钳位型和T型三电平SVPWM调制一、前言在现代电力电子技术领域,二极管钳位型和T型三电平SVPWM调制技术备受关注。
本文将针对这一主题展开深入探讨,帮助读者全面了解其原理、特点以及在实际应用中的意义和价值。
二、二极管钳位型和T型三电平SVPWM调制的基本原理1. 二极管钳位型SVPWM调制理论二极管钳位型SVPWM调制技术是一种针对中高功率变换器的PWM 控制技术。
其核心原理是通过对逆变器的输出电压进行有效的控制,实现对电机的精准控制。
该技术利用二极管的导通和截止特性,对逆变器输出波形进行修正,从而减小了逆变器开关管的开关损耗,提高了逆变器的效率和性能。
2. T型三电平SVPWM调制理论T型三电平SVPWM调制技术是近年来备受研究和应用的一种高性能PWM调制技术。
其主要原理是将传统的两电平SVPWM调制技术升级为三电平调制技术,通过增加中间电平,实现了电机转矩波形的更加平滑和精准控制。
该技术还可以有效降低逆变器输出谐波,减小电机和电网的电磁干扰。
三、二极管钳位型和T型三电平SVPWM调制技术的比较与分析1. 二极管钳位型与T型三电平SVPWM调制的异同在对二极管钳位型和T型三电平SVPWM调制技术进行比较时,我们可以发现它们都具有提高逆变器效率和电机控制性能的共同目标。
但二者在输出波形质量、逆变器损耗、电磁干扰抑制等方面存在一些显著差异。
具体来说,二极管钳位型技术在减小逆变器损耗、提高效率方面具有一定优势;而T型三电平SVPWM调制技术在输出波形质量和电磁干扰抑制方面表现更为突出。
2. 选择合适的调制技术的依据与建议在实际应用时,选择合适的调制技术不仅需要考虑技术性能和成本效益,还需要根据具体的电机和逆变器特性进行综合评估。
若是对逆变器效率和损耗有更高要求的应用场景,二极管钳位型SVPWM调制技术可能更为适合;而在对输出波形质量和电磁干扰抑制有更高要求的场景下,T型三电平SVPWM调制技术可能更为合适。
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图 4 五 电平逆 变器单脉 冲控制一 相相关波形 图
图 1 单相 二极 管钳 位三 电平逆 变器
科技创新导报 S in e a d T c n lg n o a in H r l ce c n e h oo y In v to e ad
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表 2 输 出 电压与 开关管的关 系
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图 2 二极 管钳 位五 电平逆变器
Sci ence and Techn og nn ol y i ovaton i Her d al
Q: 塑
工 业 技 术
二极管钳位式多电平逆变器的分析
张琛 ’ 赵华 蒋明艳 。 (. 1 甘肃政 法学 院计算机科学学院 甘肃兰州 7 0 7 ; 2 30 0 兰州交通大学 自动化与 电气工程学院 甘肃兰州 7 0 7 30 0 3 马鞍山技师学院信息工程系 安徽马鞍 山 2 3 0 ) . 4 0 0 摘 要 : 实现 大功率 变换 的几种 解决方案 中 , 在 多电平 变换 器具有 小的输 出电压 波形畸 变 ( H 、低的 器件 电压应 力和低的 系统 电磁 T D) 干扰 ( M )等优 点 。本文 在三 电平 电路 分析的基础 上 , 究 了单相五 电平 电路 拓扑结构 以及 电压矢量 图,并对 其仿真。 E I 研 关键词 : 多电平 逆 变器 P M W 中图分类号 : M 6 T 44 文献标 识码 : A 文章编号 : 6 4 0 8 ( 0 8 l () 0 4 - 2 1 7 — 9 x 2 0 )2 a一 0 3 0
八 . 八 / 八 八 八 八 \ V V V V V V V V } 八 八 . 八 八 . 八 . { V V \ V V } { . 八 \ . f八 . 八 \ }
a )逆 变 器 结 构 图 b 五 电平 矢量图 )
4 3
i : 圜
。 。 。 。 。 。 。 , 。 。。
工 业 技 术
电平与 功率 管开 关状 态的 关 系[ 2 1 。
3五电平电路的研究
五 电平 电路 是 比较有 实际 应用价 值 的一
种 电路 ,目前 也 已经应 用在工 业和铁 路牵 引 供电系统中 , 为此 , 对此进行控制分析研 究也
三 相 系统 中输 出的 共模 电压 较 小 。 正是基于 以上的诸 多优 点 , 多电平技术在 目前 、我 国在 能 源 十 分 紧张 的 情况 下 , 近 年来 得 到 了长 足 的发 展 , 究也 越 来越 成 研 现代 社会里 ,城 市 电 网的 电压 电流存 在 着严 重的质量 问题 ,包括 电压的波 动、谐波 、 能 源的浪 费现 象 却十分 严重 。 虽然 国民生 产 熟 1 闪变 以及市 电电流 中无功与谐 波分量 的影 响 , 总 值在世 界排 名 靠前 ,但是 单位 产值 的功耗 这些给 用户带来 巨大的损 失;其次 , 用户 负载 大 。采 用交流 电动机调速技 术实现变 速运 行 , 2典型的三电平逆变器 的结构 中的大量 非线性 阻感负载 的使 用也 引起 谐波 节 能 效 果 明显 。 自从 1 学者 南波江 章 ( Na a )于 3 本 A. b e . 和无功功率 的大量产生 , 大市网负担 , 增 造成 14 多 电平逆 变器的优势 18 年 提 出三 电平 中点钳位 逆变 器以来 ,引 90 传统 的两 电平 逆变 器 由于其 自身 固有 的 起人 们 的普 遍关 注 l 对 市 网 电网的 严 重污 染 。 l 1 电力 系统 治理 无功 。在 如 / E 大 , 关频 率高 , 变效率 与谐 波污 染、高 压大 功率 交流 电动机 传动 系 MI 开 逆 1 2 高压大功 率交流 电动机 变频调速 的需 要 缺点 , . 不适合高压应 用 , 而多 电平技 术正 是很好 统节省能 源的要 求促 使下 ,经过近 3 年 的研 在 传统 技术 改造场 合 ,高 压大 功率 交流 低 , 0 电动 机变 频调速 技 术也正 在被 推广 使用 ,并 的解 决 了这些 问题 。 多电平 逆变 器与 两电平 发 ,很 多学者 相继提 出 了具 有 实际意 义的 多 多电平逆变器可 电平 逆变 器 电路 。 当前 的多 电平 逆变 器的 主 逐步 取代 直流 电动机 调速 技术 而 占到主导 地 逆变 器的最主要 的区别在于 : 开 位 。交流 电机调 速 系统 的应用 ,不但可 以节 以使 开关 管工 作在低 频或 工 频 , 关损耗 小 , 要结构有 : 钳位式 多电平逆变器 、 级联式 多电 并且 平逆变器 、 能, 也可以使 整个系统的性能达 到最佳 , 改善 逆变 效 率 高 ,适 合 于高 压 大功 率 场 合 , 层叠式 多电平逆变器 、 多重 叠加式 ,p 在 逆变器 。图 1 了工 艺条 件 ,提 高 了生产 效率 ,也 大大 提高 多电平逆 变器输 出电压的跳变 4a / 小 , 为单相二极管钳位 三电平逆变器
1课题的研究的发展需要 1
13 节能 的需要 .
的电路结构 以及 其工作波形 , l 表 为输 出电压 表 1 输 出电压 电平 与功 率管开关 状态的关 系
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