两电平和三电平脉冲整流器的比较

两电平与三电平的脉冲波形比较

电牵二班

徐刚堂

代思瑶

两电平与三电平的脉冲波形比较

我国引进的时速200公里动力分散型交流传动动车组中,CRHI 、CRHS 动车组主电路均采用了两电平全桥整流电路。为了降低开关管的电压应力和改善PWM 整流器网侧输出波形,CRHZ 动车组采用了二极管箱位三电平PWM 整流器电路结构。下面主要对这两种电路拓扑的工作原理及数学模型进行分析和研究。

1.1两电平整流器原理与数学模型

单相电压型两电平Pwm 整流器主电路如图2一1所示,网侧漏感L 二起传递和储存能量,抑制高次谐波的作用;支撑电容Cd 起抑制高次谐波,减少直流电压纹波的作用;电感LZ 和电容CZ 形成串联谐振电路,用于滤除电网的2次谐波分量。把开关器件(这里采用IGBT)视为理想开关元件,定义理想开关函数S,和S,,从而得到如图2一2所示简化等效电路。

两电平PWM 脉冲整流电路 两电平PWM 整流器等效电路 由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通,则a 1S 与a 2S 、b 1S 与b 2S 不能同时导通和

关断,驱动信号应该互补。PWM 整流器网侧输入端电压ab U 取值有dc U 、0、-dc U 三种电平,有效的开关组合有22=4种,即S,S,=00、01、10、11四种逻辑,则PWM 整流器输入端电压ab U 有如下关系:

ab U =（B A S S ）dc U

则由式(2一2),系统的瞬时等值电路如图2一3所示

瞬时等值电路

由图2- 3可见,通过不同的控制方法适当调节“ab U 的大小和相位,就能控制

输入电流的相位以控制系统功率因数;同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量,也就控制了直流侧输出电压。因此,通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。此等值电路的电压矢量平衡方程为: 对应于四个开关的不同工作状态,电路共有以下三种工作模式:

工作模式1：B A S S =00或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通,则此时“ab U =0,电容d C 向负载供电,直流电压通过负载形成回路释放能量,直流电压下降,因此,

为了保证直流侧电压的稳定,工作模式1的导通时间比较短,这也是在空间电压矢量调制中,两个零矢量的作用时间要比其他六个矢量的作用时间短的原因。另一方面,网侧电压N U 二两端电压直接加在电感N L 上,对电感N L 充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下(忽略等效电阻的影响):

N U =N L t

i d d N 工作模式3: B A S S =10,等效电路如图2- 4(b)所示,则ab U =dc U 。N U >0,储存在电感中的能量向负载L R 和电容d C 释放,电感电流N i 下降,一方面给电容充电,使得直流电压上升,保证直流电压稳定,同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路;另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢量平衡方程如下:

N L t

i d d N =N U -dc U B A S S =01时的电路 B A S S =10时的电路

在任意时刻,PWM 整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下,在不同的时区,通过对上述3种开关模式的切换,保持直流侧负载电压的稳定和负载电流i 。的双向流动,也即实现能量的双向流通。由图2-1所示主电路结构可知,网侧串入一电感元件形成Boost 电路的拓扑结构,使得直流侧输出电压大于网侧电压峰值。假设开关管为理想模型,在换相过程中没有功率损失和能量储存,则交流侧与直流侧瞬时功率应当相等。即:

ab U N i =dc U 0i

又由等效电路的拓扑结构可得:

N L t

i d d N =N U -N i N R -ab U d C t dc d dU =0i -L

R U dc -2i 将式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示两电平PWM 整流器的主电路数学模型,其中2U 为二次滤波电容上的电压。

N L t

i d d N =N U -N i N R -（B A S S -）dc U d C t dc d dU =（B A S S -）N i -L

R U dc -2i 2.2三电平整流器原理

三电平二极管箱位PWM 整流器拓扑如图2-5所示,它采用8个功率开关器件(这里采用IGBT)构成两组对称的桥臂。每一桥臂有4个开关管,其中直接连到正负直流母线上的2个开关管称之为主开关管,中间的2个开关管称之为辅助开关管。两组桥臂各带2个箱位二极管,以防止电容L C 或Z C 因开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由2个同样的电容串联组成,这样就可以提供一个中性点,连接到中性点上的2个箱位二极管可以把PWM 整流器的电压箱位到中性点电位,因此该整流器也称为中点箱位PWM 整流器.

为了便于分析电路,首先根据开关管不同的工作状态,定义电路的三种工作状态:1态、O 态、-1态(假设两电容上的电压相等),以左半桥为例:

根据每种不同情况我们可以等效电路为：

二电平二极管箱位PWM 整流器开关等效电路图

由开关等效电路可知,每组桥臂可以等效为一个开关,该开关具有1、0、一1三种等效状态,两组桥臂有 23 9种开关关组合,主电路有9种工作模式。 工作模式0:(B A S S ,)=(1,1),开关管a 1S 与a 2S 、b 1S 与b 2S 导通,整流器交流侧

被短路,网侧输入电压a U 等于0,电容L C 、 Z C 通过直流侧负载放电,网侧电流N i 的大小随网侧电压N U 的变化而增大或减小。

工作模式1:( B A S S ,)=(1，0),开关管a 1S 与a 2S ,a 3S 和b 3S 导通,网侧输入电压

a U 等于1U 网侧漏感电压等于N U -N U 电容q 上的电压被正向(或反向),电流充电(或放电),电容CZ 通过直流侧负载放电。

在此举两个工作模式，剩下见开关表

根据A S 、B S 的不同组合，可以得到不同的五个电平：

根据以上的原理分析可知,三电平PwM 整流器与两电平PWM 整流器相比,具有很多优点:

1.每个功率开关器件所承受的电压峰值只有两电平PWM 整流器的一半,降低了功率开关管的电压应力,较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。

2.在相同的开关频率及控制方式下,由于电平数的增加,三电平PwM 整流器的网侧电流波形比两电平中的正弦性要好,且电平数越多,电流越接近正弦,可以获得更好的频谱特性和动态性能。

3.输出电压为5个电平的阶梯波,相对于两电平的3个电平,输出波形阶梯增多,各级间的幅值变化降低,可更加接近正弦波;电压脉动小,降低了输出电压的跳变,减小对负载和本身的损害;输出电压谐波含量减少,对外围电路的干扰减小。 但是这种三电平结构也有它固有的不足之处:

1.因为不同管子的开关时间不同,器件所需额定电流不同。

2.电容均压问题:这是制约其应用的最大障碍之一。直流侧电容由于一个周期内电流的流入和流出可能不同,使某些电容总在放电,而另一部分总在充电,使得电容电压不均衡,对整个系统工作不利。