SPWM控制单相三电平逆变器

当谚加时，西流经Ｄ４、Ｄ３、卧地和Ｄ５，此 咏０时， Ｄ８导通，ｆＬ，流经ｓ５、％、夸ｓ３和Ｄ８ 时输出端向ｃ１、ｃ２回馈能量，对应图２（ｇ）；当冰０ 和ｃ１，此时，输出端向ｃｌ回馈能量，对应图２（＿ｊ）。
时，“流经ｓ５、屯、斗Ｓ３和ｓ４，此时由输入电源
（６）开关模态６［ｓ１、Ｓ２和ｓ５］导通，№＝＿０
ＳＰｗＭ控制单相三电平逆变器
７５
从以上６种开关模态可得：Ａ、曰两点ＶＡＢ的输
Ａ
出电平和各开关管的开关导通情况如表１所示，由
表ｌ可得：ｓ２＝ｓ４；岛＝Ｓ；Ｓ＝ｓ６。
表１输出电压和开关管开关情况对应表
】１ａｂ．１ Ｏｕｔｐｕｔ ｖｏＩｔａｇｅ ａｎｄ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓ稍ｔｃｈｅｓ
占
３控制策略
％（引一
【Ｋ（乃Ｊ＋１）＋Ｊ２ｃ，乃】Ｇｉ（ｊ）
ｖ，（ｓ） Ｊ２Ｃ，五＋【１一Ｇｆ（ｓ）】Ｄ（ｓ）＋Ｋｐ（乃ｓ＋１）Ｇｆ（ｓ）
显然，当Ｇｆ（ｓ）＝１时，％（ｓ）＝１，，（ｓ），输出与 ＪＤ（Ｊ）无关。也就是说通过加入负载电流正反馈信号
万方数据
７６
中国电机工程学报
第２５卷
么和基准电压信号的微分支路，可以消除由于负载 引起的静态误差。
ＫＥＹ Ｗｏ砌粥：Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃ砸ｃｓ；Ｉｎｖｅｎｅｒ；１１１日ｅｅ－Ｌｅｖｅｌ：ＳＰＷＭ；
Ｆｅｅｄ．ｆｏｒｗａｌ－ｄ
摘要：该文提出了一种单相中点箝位电压源型三电平逆变 器。可以减小输出滤波器的尺寸。同时，三电平桥臂开关管 的电压应力可以减小为输入电压的一半。文中详细分析了该 变换器的ｓＰｗＭ控制策略，并且介绍了一种负载电流前馈 电路。通过加入这种前馈电路，可以提高逆变器的输出电压 外特性。通过一台１ｋｖＡ的原理样机，验证了该变换器的优 点和负载电流前馈方法的有效性。
（ｇ）ｙ”＝一１；吐，＞Ｏ
（ｈ）ｙ＂＝一ｌ；吐，（０
Ｄ５ Ｄ６
（ｉ）啪＝一１／２；ｆ驴０
Ｄ５ Ｄ６
（ｊ）ｙ∞＝一１，２；ｆ正，＜０
∞啪＝＿ｏ；吐户０ 图２工作模态分析
（１）ｖ柚＝如；ｆ班Ｏ
Ｆｉｇ·２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ ｍｅ叩ｅｒａｎ叽ｍｏｄｅｓ
（４）开关模态４［Ｓ３、Ｓ４和Ｓ５］导通，—呦＝一‰ Ｃ１，此时由Ｃｌ向负载提供能８量，对应图２（ｉ）；当
ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆ曲ｄ—ｆｏｎⅣａｒｄ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｌｌｉｓ ｃｏＩｎｐｅｎｓａｔｏｒ）ｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｌｌｅ ｏｕ印ｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｍｅ ｉｎＶｅｒｔｅｒ ｉｓ ｉｍｐｍＶｅｄ．Ａ １ｋＶＡ ｐｍｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ Ｖ甜ｆｙ ｍｅ Ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｍｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎＶｅｒｔｅＬ
５００岫帽
∥邺
（ｂ）阻性满载
窭≯虽警§＿【窖蔓警§『Ｉ凄≯０１婆墨
５００叫格
盯岫
５００斗ｓ，格
∥邮
（ｃ）感性满载
（ｄ）开关管电压应力
图７实验波形
５结论
Ｆｉｇ．７
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅｆＩ）皿岱
本文提出了一种复合式中点箝位全桥三电平 逆变器，采用ＳＰｗＭ控制，优点是：
（１）三电平桥臂的开关管的电压应力减小为 输入电压的一半；
ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ａ ｎｏｖｅｌ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈ船ｅ ｎｅｕｔｒａｌ一ｐｏｉｎｔ—ｃ１锄ｐｅｄ
（ＮＰＣ）１１ｌｒｅｅ—Ｌｅｖｅｌ（ＴＬ）ｖ０１ｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ（ＶＳＩ）ｉｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．卟ｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｍｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｉｌｔｅｒ ｃａｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ，
（２）减小了输出滤波器的尺寸［１引。同时本文 还介绍了一种前馈补偿网络以提高输出电压的外 特性，实验结果验证了该变换器的工作原理和前馈 补偿网络的有效性。
参考文献
ｃｏｎＶｅｒｔｅｒｓ［Ａ］．姗ｒＩ协ｓ．ｈｌｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］．１９９６：５０９—５１７． ［１］Ｌａｉ Ｊ Ｓ，Ｐｅｎｇ Ｆ Ｚ．ＭｕｍｌｅＶｃｌ ｃｏｎＶｅｎｅｒｓ—Ａ ｎｅｗ ｂｒｅｃｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ
流经Ｄ４、Ｄ３、￡个飓ｄ和Ｓ６，对应图２（ｅ）；当谤＜０ 时，西流经Ｓ３、Ｓ４、Ｄ６、ｂ和避ｄ，对应图２（ｆ）。
Ｄ５ Ｄ６
（ａ）ｖ＾口＝＋ｌ；ｆ驴·０ 鹏 Ｄ６
（ｄ）ｙ柚＝＋ｌ，２；冰０
（ｂ）呦＝＋１；ｆ班Ｏ （ｅ）№＝＋０；赴，＞Ｏ
（ｃ）№＝＋ｌ，２；ｆ驴＇ｏ
Ｄ５ Ｄ６
（ｆ）ｙ”－＋０；】ｋ，＜０
图１复合式全桥三电平逆变器拓扑
Ｆｉｇ．１ Ｈｙｂｒｉｄ伽ｌ ｂｒｉｄｇｅ ｔｈｍｅ．１吖ｅｌ ｉｎｖｅｒｔ盯 ２模态分析
在分析各种模态之前，我们首先定义３种电平 和电感电流的方向，如图１所示，设母线电压为Ⅵ。，
两个桥臂间的电压为Ⅵ口。当ｖＡ曰输出为±Ⅵ。、±～２、
Ｏ时分别定义为ｌ、１／２、０电平。为分析方便，把０ 电平分为＋Ｏ和＿０两种，当ｖＡＢ＝０且在Ⅵ以和０电 平之间切换时定义为＋０电平；当ｖＡ口：０且在一Ⅵ以 和Ｏ电平之间切换时定义为＿０电平。同时定义，电 感电流由Ａ点流向Ｂ点为电感电流的正方向。根据 ¨口的６种输出状态和流过电感电流的方向，可得如 图２所示的１２个工作状态，根据开关管的导通情 况将其分为６种开关模态。以下为对这６种开关模
传统ＳＰｗＭ控制原理是用一个基准正弦波和 一个三角波载波进行交接，得到一个脉冲信号，通 过这个脉冲信号来控制开关管的开关，而三电平逆 变器需要将基准正弦波ｖ０整流后与２个频率、幅 值相等的三角波载波ｖ廿ｎ和％２进行交接，得到两 个脉冲信号Ａ１，曰１，同时用基准波直接与零电压比 较得到脉冲信号ｃ１，如图３所示。然后用这３个脉 冲信号Ａ】，曰１，ｃ１经过一系列逻辑门后来得到各个 开关管的开关情况。
图６改进后的闭环控制方框图 Ｆｌｉｇ．６ Ｄｉａｇ鞠ｍ ｏｆ ｊｍｐｒｏｖｅｄ ｃＩ惦ｅ－ｌｏ叩ｓｙｓｔｅ】咀
４实验结果
为了验证该变换器的工作原理和前馈补偿网 络的效果，完成了～台１ｋｖＡ的原理样机，实验主 要数据如下：分压电容：４×１００叭Ｆ坦５０Ｖ，采取两 串两并的方法；输入直流电压：１８０Ｖ±１０％；输出
燃
解
ｉ
０
欧
≈
渤
、一 口
掺
≈
瓣
≈
笾
ｋ
ｌ＼
，
ｖ＾口 ＼
Ｃ
图４逻辑控制框图 Ｆｉ昏４ Ｌｏｇｉｃ ｃ蚰ｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ
的电流环、电压环均采用ＰＩ调节器。对于交流系统 而言，其输出电流存在静态误差，即当负载发生变 化时，输出电压反馈并不能完全跟踪上基准电压， 即输出电压反馈和基准电压会存在一定的误差，传 统双闭环控制的方框图如图５所示，设电流环的传 递函数为：Ｇｉ（Ｊ），基准电压为１，ｒ（Ｊ），输出电压为％（ｓ）， 为了分析方便，我们使用单位反馈电路来推导系统 的传递函数。
ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆｂｅｄ·ｆｏｒｗａｒｄ ｌｏｏｐ
由表２看出，不加入前馈环节时，输出电压外 特性很软，加入前馈环节之后，输出电压的外特性 得到很大的改善，由图７可以看出：两桥臂之间电 压ｖ仙为三电平波形；三电平桥臂开关管ｓ３的电压 应力减小为两电平桥臂开关管Ｓ６电压应力的一半。
誊 誊 董
（ａ）阻性Baidu Nhomakorabea载
图５传统闭环控制方框图
Ｄｉａｇ咖ｏｆ Ｆｉｇ．５
ｃｋｓｉｃ ｄｏ辩·ｌ∞ｐ ｓｙｓｔｅｍ
由图５可以推出
ｖｏ（引一
Ｋｐ（乃ｓ＋１）Ｇ（ｓ）
ｖ，０） 【ｓＣｒ＋Ｄ（ｊ）】乃Ｊ＋Ｋｐ（乃ｓ＋１）Ｇｌ（Ｊ）
式中Ｄ（ｓ）为负载的传递函数，通常ＪＤ（Ｊ）为阻性负载
或者感性负载，表达式如下：
…ｆ１／尺
阻性负载
Ｄ（一Ｊ）２１１１１／／（（止止＋＋ＲＲ））感感性性负负载载
当赴ｐＯ时，箝位二极管Ｄ７导通，西流经ｃ２、
Ｄ７、Ｓ２、Ｌｒ、ＲＬｄ和Ｓ６，此时由Ｃ２向负载提供能量， 对应图２（ｃ）；当吐在０时，Ｄ８导通，西流经Ｄ６、尺胁
厶Ｓ３、Ｄ８和Ｃ２，此时输出端向ｃ２回馈能量，对
应图２（ｄ）。
（３）开关模态３［ｓ３、ｓ４和ｓ６］导通，ｖＡ口＝＋ｏ
此时，逆变器处于续流状态，当胗０时，西
第２５卷第１期 ２００５年１月
文章编号：０２５８—８０１３（２００５）０１—００７３．０４
中国电机工程学报
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｌｌｅ ＣＳＥＥ
中图分类号：ＴＭ４６４
文献标识码：Ａ
ｖｏＩ．２５№．１Ｊａｌｌ．２００５
＠２００５ Ｃｈｉｎ．Ｓｏｃ．ｆｏｒ Ｅ１ｅｃ．Ｅｎｇ
学科分类号：４７０·４０
【２】 Ｒｏ（ｍｇＩｌｅｚ Ｊ，Ｌ撕Ｊ Ｓ，Ｐｅｎｇ Ｆ Ｚ．Ｍｕｍｌｅｖｅｌ Ｉｌｌｖｅｒｔｅｒｓ：Ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ
ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ｃｏｎ仃ｏｌｓ，∞ｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ【Ｊ】．皿Ｅ Ｔｒｍｓ．Ｉｎｄｕｓ町
Ｅ１ｅｃⅡｏｎｉｃｓ，２００２，４（４９）：７２４－７３８．
【３】 Ｃ０ｒｚｉｎｅ Ｋ，Ｆ锄ｉｌｉ孤ｔ Ｙ．Ａ ｎｅｗ ｃａｓｃａｄｅｄ ｍｕｌｍｅＶｅｌ ｈ－ｂ喇ｇｅ ｄｒｉＶｅ【Ｊ］．
向负载提供能量，对应图２（ｈ）。
此时逆变器处于续流状态，当ｆ驴０时，西流经
（５）开关模态５【Ｓ２、Ｓ３和Ｓ５］导通，岫＝一～２ Ｓ１、Ｓ２、琢％和Ｄ５，对应图２∞；当谚＜ｏ时，岈
当吐ｐ０时，Ｄ７导通，讶流经Ｄ７、Ｓ２、厶尺胁Ｄ５、 流经Ｄ２、Ｄ１、风ｄ、■和ｓ５，对应图２（ｉ）。
万方数据
第１期
王学华等：
Ｓ ＰＷＭ控制单相三电平逆变器
王学华， 阮新波
（南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏省南京市２１００１６）
ＳＰＷＭ ＣｏＮＴＲｏＬ ＳＩＮＧＬＥ．ＰＨＡＳＥ ＴＨＲＥＥ．ＬＥＶＥＬ ＩＮＶＥＲＴＥＲ
ＷＡＮＧ Ｘｕｅ＿ｈｕａ， ＲＵＡＮ Ｘｉｎ＿ｂｏ
（Ｎ删ｉｎｇ ｕＩｌｉＶｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎ刎ｉｎｇ ２１００１６，Ｊｉａｌｌｇｓｕ ＰｒｏＶｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）
关键词：逆变器：电力电子；三电平；ｓＰｗＭ；前馈
１ 引言
由于三电平逆变器可以减小输出电压的ＴＨＤ、 减小输出滤波器的尺寸以及降低开关管的电压应 力，所以在交流调速和ＵＰＳ中，越来越多的开始应 用三电平技术ｎ卅。文【８】提出了一种基于传统全桥 的改进型单相三电平逆变器，该电路是通过２个分 压电容将输入电压分为４个相等的电压，增加了１ 个开关管和２个整流二极管的辅助网络，通过控制 辅助开关管得到三电平的输出电压。该电路的缺点 是４只主开关管电压应力仍为输入电压。文【９】中提 出了一种单相中点箝位型三电平逆变器，它是由两
万方数据
个三电平桥臂组成，该拓扑的优点是，每只开关管 的电压应力均是输入电压的一半，但该电路由于开 关管数目多，因此产生输出电平的开关状态也增 多，使控制变得复杂。
本文提出一种复合式单相全桥中点筘位三电 平逆变器电路，它是由１个三电平桥臂和１个两电 平桥臂组合而成的，比起两个桥臂都采用三电平而 言，其控制简单，容易实现，适合于中小功率场合 的单相逆变器。图１为该电路的拓扑结构。
显然，当负载发生变化时，即Ｄ（５）发生了变化， 其变化类似一扰动量，使输出电压产生了静态误差。 为了减小负载变化引起的静态误差，文【１０】、［１１】对 电压环进行了一些改进，它是在电流环的静入端加
入了一个负载电流正反馈信号也和给定电压信号１，， 的的微分支路。负载电流正反馈信号与电压环的输
出信号０以及给定电压信号的微分信号一起，作为 电流调节环的给定信号，这种补偿定义为：负载电 流前馈补偿。由它的控制框图，即图６可推出
７４
中国电机工程学报
第２５卷
态的分析。
（１）开关模态ｌ［Ｓ１、Ｓ２和Ｓ６】导通，呦＝＋Ⅵ。 当诊Ｏ时，西流经Ｓｌ、Ｓ２、斗屯和Ｓ６，此
时，由输入电源向负载提供能量，对应图２（ａ）；当
冰０时，西流经Ｄ６、如、ｏ Ｄ２和Ｄ１，此时输
出端向Ｃ１、Ｃ２回馈能量，对应图２（ｂ）。
（２）开关模态２［Ｓ２、Ｓ３和Ｓ６】导通，‰＝＋Ｗ２
ａＩｌｄ吐ｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｍｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｏｆ ｍｅ ＴＬ ｌｅｇ ｃａＩｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ｈａｌｆ ｏｆ￡ｈｅ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ．ｈⅡｌｉｓ ｐａｐｅｒ’ｉｔ ｉｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ
ｔｏ锄ａｌｙｚｅ ｍｅ ＳＰＷＭ ｃｏｎ的ｌＨｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａＩｌｄ ｉｎ仃ｏｄｕｃｅ ａ ｋｉｎｄ
管：两电平桥臂：ＩＲＦＰ４６０；三电平桥臂：贼６４； 交流电压：１１５Ｖ／４００Ｈｚ；开关频率：１８ｋＨｚ；开关
筘位二极管：ＤＥＳｌ３０—０６Ａ；输出滤波感：０．２５ｍＨ；输
出滤波容：１５ｕＦ。
Ｔ妯．２
表２有无前馈环节输出电压比较 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｉｔｈ