三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真_陶生桂

收稿日期:2004-02-24作者简介:陶生桂(1940-),男,江苏常熟人,教授,博士生导师.E 2mail :hb9139@三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真陶生桂,龚熙国,袁登科(同济大学沪西校区电气工程系,上海　200331)摘要:多电平逆变器在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用.二极管中点箝位三电平逆变器是一种简单实用的多电平逆变器,但是三电平逆变器直流侧中点电位偏移问题影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性.为此提出了一种用于三电平逆变器中点电位平衡的硬件电路,详细介绍了其工作原理以及参数设定,并用Matlab/Simulink 仿真工具对系统进行了研究,给出了较好的仿真结果.关键词:三电平逆变器;中点电位平衡;二极管箝位中图分类号:TM 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2005)03-0395-05Design and Simulation of Novel Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTA O S heng 2gui ,GON G Xi 2guo ,Y UA N Deng 2ke(Department of Electrical Engineering ,Tongji University West Campus ,Shanghai 200331,China )Abstract :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 affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.This 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 supplied to confirm the validity of the pro 2posed circuit.Key words :three 2level inverter ;neutral 2point voltage balancing ;diode 2clamped 近几年来,多电平逆变器成为人们研究的热点课题.三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路.三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较,主要优点是:器件具有2倍的正向阻断电压能力,并能减少谐波和降低开关频率,从而使系统损耗减小,使低压开关器件可以应用于高压变换器中[1].但是三电平逆变器控制策略复杂,并要考虑中点电位平衡的问题.若逆变器直流母线上串联的2个电容的中点电压出现偏移,将引起三电平逆变器输出电压波形发生畸变而增大谐波及损耗[2].抑制三电平逆变器中点电位偏移的方法有硬件和软件两类.从软件出发将会增加控制的复杂性.笔者提出了一种抑制三电平逆变器中点电位偏移的硬件电路的实现方法.详细介绍了其工作原理和电路设计,第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.33No.3　Mar.2005并用美国MA TH Works 公司推出的交互式仿真软件Matlab/Simulink 进行了研究,给出了较好的仿真结果.1　三电平逆变器及中点电位偏移原理 三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1～V X4分别为X (X =A ,B ,C )相上的电力电子器件———绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor ,IG B T );D X1～D X4为与其反并联的续流二极管;D X5,D X6为相应各相的箝位二极管;P ,N 为直流侧正、负电压母线;O 为中性点;C 1,C 2为直流侧的分压电容;U A ～U C 为逆变器的三相输出电压;U dc 为直流侧电压;i C1和i C2分别为流经C 1和C 2的电流;i NP 为流经中性点的电流.以X 相为例说明三电平逆变器的工作原理为:V X1和V X2导通时X 相输出正电平;V X3和V X4导通时,X 相输出负电平;V X2和V X3导通时,X 相输出零电平.因此,逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有三种取值的可能,这正是三电平逆变器名称的由来.图1　绝缘栅双极型晶体管IGBT 三电平逆变器主电路原理图Fig.1　Main circuit schem atic of insulated gate bipolartransistor three 2level inverter 三电平逆变器运行中会存在一个问题,即中点电位偏移,这是由于在直流侧中性点存在着流入或流出的中点电流i NP ,如图1所示.当某一相上输出为零电压时(V X2,V X3管导通),中点电流使得直流侧电容分压产生失衡:当i NP 流出中点时,对C 1充电;当i NP 流入中点时,对C 2充电,若C 1,C 2的充放电过程不均衡,则中点电位就要发生偏移.由此可见,i C1≠i C2或i NP ≠0是产生中点电位偏移的必要条件,而零电压在此过程中起了重要影响.2　中点电位平衡电路设计及其工作原理笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图2所示.电路中T 1,T 2,T 3为IG B T 管,D 1,D 2为续流二极管,L 1,L 2为储能电感,C 1,C 2为分压电容.与普通抑制电路相比,该电路增加了一个IG B T 管T 3,通过控制T 3管的导通与关断,可以抑制直流侧电压U dc 不变情况下C 1,C 2端的电压变化,即使U dc 降低,该电路也能有效抑制中点电位的偏移.图2　中点电位平衡电路主电路Fig.2　Main circuit schem atic of the neutral 2pointvoltage b alancing2.1　U dc 保持不变情形下的中点电位的平衡若U dc 保持不变,则U dc =U C1+U C2为常数,U C1增加必然导致U C2下降,同样U C1下降必然使U C2增加,因此可以通过调整直流侧两个分立电容的电压来平衡中点电位.为实现这一目标,使T 3始终处于导通状态,此时的等效电路如图3所示.图3　T 3导通时的等效电路图Fig.3　Equivalent circuit when T 3turns on 这一电路由Boost 和Buck 变换器组成.T 1,D 1,L 1和C 2构成Buck 变换器;T 2,D 2,L 2和C 1构成Boost 变换器.电路的工作模式相应地分为Buck 变换模式和Boost 变换模式.这两种变换模式的工作状态应当互补.当U C1>U C2时,Buck 变换电路(T 1,D 1,L 1,C 2)开始工作,与此同时,Boost 变换电路停止工作.Buck 变换模式中,是通过调整C 2两端的电压实现抑制中点电位偏移的.当T 1导通时,一方面在U dc 作用下,电流流经T 1,L 1,C 2,另一方面693 同济大学学报(自然科学版)第33卷　电容C 1上的电压U C1经T 1与L 1构成回路,均使电感L 1储能;当T 1关断时,经C 2,D 1,L 1的回路将储存在L 1中的电能转换到C 2中,电容C 2充电,其上电压增大,直到C 1与C 2上的电压平衡.当U C2>U C1时,Buck 变换器不再工作,Boost 变换电路开始工作.由于U C2>U C1,C 2中的能量将间接转移到C 1中.当T 2导通时,一方面C 2上的电压U C2经L 2,T 2放电,能量存储在L 2中,另一方面U dc 经C 1和C 2重新分配电压;当T 2关断时,二极管D 2导通,存储在L 2中的能量通过D 2转移到C 1中.这样,在Boost 变换模式中,通过调整C 1两端的电压就可以抑制中点电位的偏移,直到U C1=U C2.2.2　直流侧电压U dc 降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致U dc 减小至低于电压保护设定值时,图2所示电路中的T 3管关断,此时的等效电路如图4所示.Boost 和Buck 变换器同时工作,不仅使C 1,C 2上的电压平衡,而且使它们的电压之和等于所设定的U dc 值.Buck 变换器调整电容C 2两端的电压.T 1导通时,从U dc 流出的电流流经T 1,L 1,C 2,使L 1储能;T 1关断时,L 1中的能量转换到C 2中.与此同时,Boost 变换器将能量从C 2转换到C 1中,调整C 1两端的电压,其工作过程与上述Boost 变换模式相同.图4　T 3关断时的等效电路图Fig.4　Equivalent circuit when T 3turns off3　电路参数的设计3.1　开关功率管的设计文献[3]中已经证明:中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流.笔者提出的平衡电路,中点电流最大值出现在T 1导通、储能电感L 1中电流线性增加过程中或出现在T 2导通、电流流经C 2对L 2储能的过程中.因此即使在中点电位偏移最大情形即中点电流最大时,流经T 1,T 2的电流应当与流过三电平逆变器中开关器件的电流值是相等的.另外不难看出,T 1,T 2的耐压值应当是三电平逆变器中开关器件耐压值的2倍.3.2　分压电容的设计每个分压电容承受直流侧电压的一半,因此对电容要求应当是电容的内压大于U dc /2的电解电容.为简单起见,完全可以将C 1,C 2设计为标称值相等的电容C ,由三电平逆变器的工作过程容易推出电容C 的计算公式为C =I NP max2ωNP U NPR(1)式中:I NP max 为流经中点的电流最大值;ωNP 为中点电位波动频率;U NPR 为中点电压变化的最大值.若设三电平逆变器三相输出电压电流的相位角为θ、调制深度为M 、输出角频率为ω、输出电流有效值为I ,则中点电位的偏移值U NP 可以计算出来,中点电压变化的最大值U NPR 也就很容易确定了.前已叙述,中点电流最大值近似等于逆变器的输出电流,因此流经中点的电流最大值I NP max 为I NP max =2I(2)一般说,中点电位波动频率ωNP 为逆变器输出频率ω的3倍,即ωNP =3ω(3)结合式(1),(2),(3),容易计算出电容C 的内压.可以看出:电容的大小不仅与中点电流的最大值有关,还与中点电压波纹大小及中点电压频率有关.3.3　储能电感的设计在Buck 变换模式中,流过储能电感L 1的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或下降.设开关周期为T ,开关管T 1导通时间为t on ,截止时间为t off ,占空比为k =t on /T .在开关管T 1导通时,忽略其饱和导通管压降,则L 1两端电压为U L1=U dc -U C2(4)又U L1=L 1ΔI L1max /t on (5)式中:ΔI L1max 为T 1导通期间储能电感L 1中流过电流增加量的最大值.由式(1),(2)可解得L 1=U L1t on /ΔI L1max =(U dc -U C2)t on /ΔI L1max(6)T 1关断时,U C2=L 1ΔI ′L1max /t off(7)式中:ΔI ′L1max 为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由ΔI L1max =ΔI ′L1max ,可得793　第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真U C2=kU dc (8)将式(5)代入式(3)得L 1=1-kkU C2t on ΔI L1max =(U dc -U C2)U C2T/U dc ΔI L1max =(U dc -U C1)U C1T/U dc ΔI L1max(9) 在Boost 变换模式中,根据同样的道理.可得L 2的计算公式.为方便起见,同样可以将L 1,L 2设计为相同标称值的电感.3.4　开关频率及占空比的设计平衡电路的开关频率不能低于逆变器主电路开关频率,否则抑制中点电位偏移的效果将不明显.但是若平衡电路开关频率过高,则不仅使器件损耗增大,而且还会对主电路产生不利影响,干扰主电路的正常工作.一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的2～4倍.占空比的设计应当满足使得在T 1动作的Buck 模式中,储能电感L 1中的能量完全转换到C 1中;在T 2动作的Boost 模式中,L 2中的能量完全转换到C 1中,因此占空比一般可以设计为40%～60%.4　建模仿真及其分析笔者在Matlab/Simulink 环境下建立了系统仿真模型,其中主要包括三电平逆变器和中点电位平衡电路的数字化仿真模型,分别如图5a 和b 所示.仿真模型中引入了时钟(Clock )、正弦波(Sin Wave )等信号源模块以及增益(K )、积分运算1/s 和微分d u /d t 等运算模块.数字仿真模型更多地使用了数字逻辑模块,完成诸如或(OR )、非(NO T )和异或(NOR )等逻辑运算.>=模块是一个关系运算模块,Selector 为一个选路器模块,eps 模块是一个设定值误差.大量复杂的运算是通过函数计算模块(Fcn )来完成的.在图a 中,由信号源组合产生的控制信号通过一系列函数运算最终输出三电平逆变器的三相电压U A ,U B ,U C .在图b 中,输入为中性点电流和开关控制信号Sw1,Sw2,输出为U C1,U C2. 仿真参数为:三电平逆变器直流侧输入电压为530V ,输出频率为10Hz ,采用双三角波(SPWM )调制.控制电路中分压电容值为3300μF ,储能电感值为3mH ,开关频率为2kHz ,占空比为50%.三相对称负载等效为5Ω的纯阻性负载.图6给出了仿真波形.从仿真结果来看,应用该硬件电路来抑制2个串联电容中点电位偏移,能获得良好的效果.5　结论(1)在多电平逆变器中,该方案为电容电压分配均匀提供了很好的参考方案.(2)对低电压系统的性能改进是可加以考虑的方案,对高压大容量场合,要从系统出发,仔细核算其性价比.893 同济大学学报(自然科学版)第33卷　图5　基于Matlab/Simulink 的仿真模型Fig.5　Simulation models b ased on Matlab/Simulink图6　仿真波形Fig.6　Simulation w aveforms参考文献:[1]　Jouanne A ,Shaoan Dai ,Haoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providing DC 2link balancing ,ride 2through enhanment ,and common 2mode voltage elimination [J ].IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics ,2002,8(4):739-745.[2]　邵丙衡.电力电子技术[M ].北京:中国铁道出版社,1997. SHAO Bing 2heng.Power electronics technology[M ].Beijing :Chi 2nese Railway Publication ,1997.[3]　Pressman A I.Switching power supply design [M ].New Y ork :Mc Graw 2Hill ,1998.(编辑:杨家琪)993　第3期陶生桂,等:三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真。