一种新型升压三电平逆变器
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目前 ,常用的多电平逆变器主要有 3 种拓扑结 [ 1 ,2 ] 构 : 二极管箝位 、 飞跨电容和具有独立直流电源 的级联逆变器 . 在单相三电平逆变场合 ,前 2 种逆变 电路均需要较大容量的电容作为直流侧分压电容和 箝位电容 ,否则易导致电容电压上的不平衡 ,严重影 响输出电压电流波形 , 且这 2 种电路不具有升压能 力 ,而最后 1 种逆变电路需要的独立直流电源数多 ,
图2 新型升压三电平逆变器输出波形 图1 新型升压三电平逆变器拓扑
Fig. 1 Topology of t he novel t hree2level inverter Fig. 2 The waveform of t he o utp ut voltage and p ulse generating met hods
(a) 工作模态 1
的 iL 1 线性增加 . D 被短路 , D1 与 D2 分别被 C1 、 C2 上的电压 + U C1 、 + U C2 钳制关断 . 此时 C1 与 C2 串 联 , C1 、 C2 规格参数相同时 , U C1 = U C2 = U C1 , 2 , 可得
U ab = U C1 + U C2 = 2 U C1 , 2 .
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第8期
李鹏飞 ,等 : 一种新型升压三电平逆变器
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S 3 导通 . D1 、 D2 、 D 均导通 , 电源 U i 与电感 L 1 、 二极
1. 1 逆变器拓扑
新型升压三电平逆变器拓扑如图 1 所示 . 图中 , ( D1 - C1 ) / / ( C2 - D2 ) 构 输入电源为 U i ; L 1 、 S1 、 D、 成 2 组 Boo st 升压电路 , 在整个拓扑中主要实现对 输入电源的升压 ; S 2 / / ( D1 - C1 ) / / ( C2 - D2 ) 构成一 组开关电容网络 [ 4 ] , 用来将直流侧两电平电压变换 为三电平电压 , 同时具有将直流侧电压倍压的功 能 [ 5 ] , 其中选取同样规格参数的 D1 、 D2 与 C1 、 C2 , 满足 C1 = C2 = C1 , 2 . 通过二极管 D1 、 D2 分别控制电 容 C1 、 C2 能量的流动方向 , 而 C1 、 C2 作为能量传递 的中间环节从电源 U i 与电感 L 获得能量 , 并经过 后级逆变传送到负载 ; S 3 、 S4 、 S5 、 S 6 构成逆变电路 , 实现多电平的斩波和周波变换 ; L 和 C 为输出滤波 电路 ; RL 为负载 , uo 为输出电压 .
可以看出 , 在以上 5 种工作模态中 , 工作模态
(b) 工作模态 2
1、 2 下 , U cb 的电平为 0 ; 工作模态 3 、 4 下 , U cb 的电平
为 + U C1 , 2 ; 工作模态 5 下 , U cb 的电平为 + 2 U C1 , 2 . 至 此 , 完成单相三电平的输出 . 在正弦调制波的负半周 中 , 开关管 S 3 、 S 6 的工作状态分别与 S 5 、 S 4 相对换 .
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上 海 交 通 大 学 学 报
第 43 卷
1 新型三电平逆变器拓扑及工作原理
一种新型升压三电平逆变器
李鹏飞 , 高 飞, 潘俊民
( 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 ,上海 200240)
摘 要 : 为了研制输出纹波小 、 高效的单相光伏逆变器 , 提出了新型三电平升压逆变器 . 将串并联 二极管电容网络与传统 Boo st 升压电路相结合 ,配合后级桥式逆变电路 ,可实现输入 48 V 直流电 压 ,输出有效值 220 V 交流电压 . 分析了新型三电平升压电路的工作原理 ,并进行了实验验证 . 结果 表明 ,该新型三电平逆变器结构简单 ,与其他三电平逆变电路相比较 ,其电路具有较明显的优势 ,在 实现三电平逆变的同时 ,实现可调升压 ,使用较少的开关器件 ,有较高的效率 . 关键词 : 三电平 ; 逆变器 ; 开关电容网络 中图分类号 : TM 464 文献标识码 : A
(d) 工作模态 4
个周期内的第 1 个工作阶段中 :
d S 1 = co nst dS2 = 0 d S 3 = ( 1 + d S 1 ) sin
第 43 卷 第 8 期 2009 年 8 月
上 海 交 通 大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学 学 报
J OU RNAL O F SHAN GHA I J IAO TON G UN IV ERSIT Y
Vol . 43 No . 8 Aug. 2009
文章编号 :100622467 ( 2009) 0821211205
1. 2 逆变器输出波形
新型升压三电平逆变器输出波形如图 2 所示 . 由图可见 ,输出交流正弦波的正半周时 , 开关管 S 1 工作在恒定的频率占空比下 , S 2 为正弦调制波与 上半部分的三角载波进行 SPWM 调制的结果 ,本文 要求 S 2 < S 1 的占空比 . 若要 S 2 < S 1 ,只要适当调整 调制度 ,保证调制波在上半部分三角波载波交割下 的最大占空比小于等于 S 1 的最大占空比即可 . S 3 为正弦调制波与下半部分的三角载波进行 SPWM 调制的结果 . S 4 和 S 5 在正弦调制波 10 ms 的半周 期内保持关断状态 , S 6 在此阶段始终保持开通状 态 . 此部分可完成输出交流正弦波的正半周输出 ,输 出时间为 10 ms. 输出交流正弦波的负半周时 , 开关管 S 1 、 S2 保 持上述的控制方式 . S 5 为正弦调制波与下半部分的 三角载波进行 SPWM 调制的结果 . S 3 和 S 6 在正弦 调制波第 2 个 10 ms 半周期内保持关断状态 , S 4 在 该阶段保持开通状态 . 此部分可完成输出交流正弦 波的负半周输出 ,输出时间为 10 ms. 上述 2 种控制 方式轮流作用 ,可保证稳定的交流正弦波输出 .
新型三电平升压逆变器及控制方法不仅适用于 纯阻性负载 , 还适用于大部分的三角形载波 PWM 控制技术 ,如消谐波 PWM 法 ( S H PWM ) ,开关频率 优化 PWM 法 ( SFO PWM) 等 .
1. 3 逆变器工作原理
新型升压三电平逆变器工作原理如图 3 所示 . 图中 , 输入电感 L 1 电流工作在连续状态下 , 在输出 交流正弦调制波 10 ms 的半周期内 ( 正半周或负半 周均适用) , 按照时间顺序分为 3 个工作阶段 , 构成 了 1 个正弦波的半周 , 划分标准是依照正弦调制波 与 2 个三角载波交割情况来区分 . 其中 :第 1 阶段正 弦调制波与低电平的三角载波进行交割 , 第 2 阶段 正弦调制波与高电平的三角载波进行交割 , 第 3 与 第 1 阶段情况一致 . 第 1 个工作阶段中 , 电路包括 4 种工作模态 , 分别为工作模态 1 、 2、 3、 4 . 第 2 个工作 阶段中 , 电路包括 3 种工作模态 , 分别为工作模态 3、 4、 5 . 以下对电路的各个工作模态进行分析 . ( 1) 工作模态 1 . 如图 3 ( a ) 所示 , 开关管 S 1 导 通 , S2 、 S 3 均断开 , 二极管 D 、 D1 、 D2 均截止 . 此时 , 电 源 U i 加 在 电 感 L 1 上 , 使 得 电 感 L 1 上 的 iL 1 电 流
A Novel Boo st Three2level Inverter
L I Pen g2f ei , GA O Fei , PA N J un2m i n
( School of Elect ro nic , Informatio n and Elect rical Engineering , Shanghai J iaoto ng U niver sit y , Shanghai 200240 , China) Abstract : A novel DC2AC Boo st t hree2level inverter was p ropo sed in order to develop higher efficient single p hase PV inverter wit h lower o utp ut ripple. It can t ransform inp ut 48 V DC power to o utp ut 220 V AC power by co mbining series2parallel diode2capacito r net work , t raditio nal DC2DC Boo st co nverter and bridge inverter main circuit toget her . The operatio n p rinciple of t he novel inverter was analyzed , and t he opera2 tio n was verified by experiment s. The experimental result s p rove t hat , co mpared wit h t raditio nal t hree2 level inverter , t he novel inverter has more advantages. Realizing t he t hree2level inver sio n , t he novel t hree2 level inverter can also increase t he voltage lift2rating , use less switch devices and imp rove t he power effi2 ciency. Key words : t hree2level ; inverter ; switched capacitor net wo rk
收稿日期 :2008212208
适用场合有限 [ 3 ] . 为此 ,本文提出一种新型升压三电平逆变器 . 该 逆变器有效解决了直流侧电容上电压不均衡问题 , 并大大降低了对电容容量的要求 ,同时升压可调 ,可 适用于较大范围的直流电压输入 , 且拓扑和控制方 法简单 ,易于实现 .
作者简介 : 李鹏飞 (19842) ,男 ,河南洛阳人 ,硕士 ,主要研究方向为电力电子与电力传动 . 潘俊民 ( 联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师 . E2mail : jmpan @sjt u. edu. cn.
S 2 工作状态不变 , 根据 S 5 和 S 2 的状态同样分为 5
种工作模态 , 与正弦调制波正半周阶段基本对称 , 在
(c) 工作模态 3
此不作赘述 .
2 参数计算
根据图 2 所示 , 在正弦调制波的半个周期里 , 设 开关管 S 1 、 S2 、 S 3 的占空比分别为 d S 1 、 dS2 、 d S3 . 根 据上述的控制方法 , 可确定 d S1 为恒定占空比 , 在半
管 D 串联后分别通过 D 1 、 D2 向 C1 、 C2 充电 . U i 与
L1 、 D 串联后 , 经过 D1 、 D2 向负载供电 . ( 5) 工作模态 5 . 如图 3 ( e) 所示 , 开关管 S 1 、 S2 、 S3 、 S 6 均导通 . 电源 U i 加在电感 L 1 上 , 使得 L 1 上