半桥三电平逆变器输出不对称交流时直流侧电容电压的分析

第2期
颜世超 ,等 : 半桥三电平逆变器输出不对称交流时直流侧电容电压的分析
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正还是负 ,若直流分量为正 ,则负母线侧电压抬升 ; 若直流分量为负 ,则正母线侧电压抬升 。
3 直流侧电容电压变化计算公式
EAST 快速控制电源初始条件如下 :整流桥采用 三相不控整流 ,正负母线与中性线之间的电容为 C , 初始电压 U1 ,在上面并联的泄放电阻为 R ,负载电 感为 L ,并且通一带有正向直流分量的正弦电流 i = A sin 2Τπt + B 。下面用两种方法求出单位周期内 电容电压的变化ΔU 的公式 。 3. 1 电流充电法
充电的时间包涵一层 PWM 的关系 ,所以用电流充 电法时被积函数的选取是关键 。
由图 3 ,t1 、t3 之间电流的微分为负 ,所以负载 L 上的电压绝对值为
u ( t)
=-
L
di dt
一个周期内电感对电容 C2 的充电量为
∫ ∫ QL =
t3
i dPWM =
t1
t3
i3
t1
u ( t) U1
逆变器中的 D5 、D6 为箝位二极管 ,与 Q2 、Q3 构 成中点箝位电路 。当 Q1 、Q2 导通时 ,AB 间电压为 + E ;当 Q3 、Q4 导通时 ,AB 间电压为 - E ; 当 Q2 、Q3 导 通时 ,AB 间电压为 0 。通过适当的 PWM 发生电路 , 让三种状态轮流出现 ,AB 之间就可以出现 + E、0 、E 三个电平 。
交流幅值 (A) ,正向直流分量 (B) ,交流频率和泄放
电阻阻值增大而增大 。
312 能量守恒法
根据对三电平 PWM 工作模式的分析 ,直流侧
电容与负载电感不断地充放电 ,能量不断转化 。所
以 ,可以从能量守恒的角度进行宏观的分析 ,不必考
虑细节 ,只需要清楚初末状态能量的分布情况 。
在初始时刻 ,即图 3 中的 t1 时刻 ,负载电感电
第 26 卷 第 2 期 2007 年 4 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol . 26 , No. 2 April 2007
半桥三电平逆变器输出不对称交流时直流侧电容电压的分析
颜世超 , 汤清泉 , 刘正之
中图分类号 : TM464 文献标识码 : A 文章编号 : 100323076 (2007) 0220049205
1 引言
三电平 PWM 逆变器 (也称三阶中点箝位 PWM 逆变器) 可以不靠增加器件的开关频率减少谐波 ,而 是利用切换直流电源电压 、增加直流电源的电平数 的方法来减少谐波[1] ,特别适合于高压大功率的场 合 。但是 ,这种逆变器采用两个电容串联产生三个 电平 ,中点电位参与能量的传输 ,因此会产生两个电 容分压不均的问题 ,即中点不平衡问题 。特别是在 输出电流波形不对称时 ,不平衡问题变得更加明显 。 如果中点电位不平衡 ,逆变器某些开关管承受的电 压增高 ,严重时会损坏开关器件和直流电容 ,降低了 系统的可靠性[2 ,3] 。
国家“九五”大科学工程“EAST 超导托卡马克核 聚变实 验 装 置 ”中 的 快 速 控 制 电 源 为 一 种 大 容 量 ACΠDCΠAC 单相逆变电源 ,是一个具有电流源特性 的电压源型逆变器 。其逆变部分为二极管钳位型三 电平拓扑 ,采用载波相移多重化技术对 24 组半桥进 行并联 ,使输出电流最大值达到 5000A ,用于快速控 制等离子体的漂移[4] 。该电源的负载近乎纯感性 , 输出电流为非对称交流 ,直流侧两个大电容前各用 一个二极管整流桥供电 。由于等离子体漂移的不确 定性 ,负载电流不是一个规则的波形 ,大部分时间负
载电流是具有直流偏置的交变电流 。本文的目的就 是分析这种非常规工作状态下逆变器直流侧电容电 压的变化 ,为电源的设计提供指导 。
2 主电路及三电平 PWM 电路的工作模式
主电路如图 1 所示 。直流侧由二极管整流桥和 大电容构成 。二极管整流桥的优点是不需要触发控 制和复杂的阻尼保护电路 ,结构简单 ,造价低 ,过载 能力大 ,运行维护方便[5] 。缺点是不具备向电网回 馈能量的能力 。大电容吸收负载电感的反馈能量 , 起到无功存储交换的作用 。当负载电流为正负交替 的电流时 ,存在大量的无功能量在电容与负载电感 之间交换 ,由于二极管整流桥不能向电网回馈能量 , 假如负载电流正负不对称 ,直流侧电容电压必然会 升高 。
同的状态下 ,电路总共有 4 种工作模式 ,其中每一种 又根据负载上的电压是否为零 ,分为两个子模式 ,如 图 3 所示 。
图 3 三电平 PWM 电路的四种工作模式 Fig. 3 Four working modes of three2level PWM circuit
模式 1 :t0 ～t1 阶段 ,负载电流正向 (由 A 到 B) 增大 。
刘正之 (19432) , 男 , 安徽籍 , 研究员 , 主攻高功率脉冲电源及核聚变工程的研究 。
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电工电能新技术
第 26 卷
图 1 半桥三电平主电路图 Fig. 1 Half2bridge three2level main circuit
图 2 负载电流与电压波形 Fig. 2 Waveform of current and voltage on load
流为 (B + A) ,电容 C2 的电压为 U1 ;t3 时刻 ,负载电
感电流为 (B - A) , 电容 C2 电压为 U2 ; 而泄放电阻
在整个周期内都是消耗能量的 。
列写方程如下 :
1 2
CU21
+
1 2
L
(
B
+ A)2
=
1 2
CU22
+
1 2
L
(
B
-
A) 2
+
U21 R
3
T
单位周期后电容 C2 电压为 :
u ( t) 3 dt = U1 dPWM
dPWM
=
u ( t) U1 dt
下面要求出电容 C2 的充电电流在一个周期中
的积分上下限 ,即负载电压的一个周期内过零的两
个时刻 ,如图 3 wk.baidu.com t1 、t3 时刻 。可以通过解微分方
程:
L
di dt
=0
得到 t1 、t3 的值 。 由于负载电流对电容的充电时间不是持续的 ,
(中国科学院等离子体物理研究所 , 安徽 合肥 230031)
摘要 : 多电平逆变器能够产生多阶梯 、低失真的电压波形 ,尤其适用于高压大功率的场合 。但是如 果输出的电流波形不对称 ,那么中点电位就会严重偏移 。本文以全超导托卡马克核聚变实验装置 ( EAST) 中的快速控制电源为背景 ,首先对三电平 PWM 逆变器以及二极管整流器进行分析 ,根据开 关器件的不同状态总结出三电平 PWM 电路的四种工作模式 ,然后针对感性负载通过带有直流分 量的正弦电流的情况 ,采用电流充电法和能量守恒法分析出的逆变器直流侧电容电压的变化情况 并推导出单位周期内电容电压变化的公式 ,最后通过仿真与试验进一步验证两个公式的合理性和 正确性 。 关键词 : 不对称交流 ; 电容电压 ; 三电平 ; 脉宽调制 ; 二极管整流
模式 2 :t1 ～t2 阶段 ,负载电流正向减小 。 当负载电压为负时 ,D3 、D4 导通 ,电流从电容 C2 的正极流入 ,负载电感向电容 C2 充电 ,电感 L 上的 电流值随之减小 ,电容 C2 上的电压随之增大 ,当高 于整流桥的直流电压时 ,整流桥的二极管就会承受 反向电压而关断 ,电容 C2 的电压不断升高 。当负载 电压为零时 ,由于电流方向依然为正 ,仍然通过 D5 、 Q2 正向续流 。模式 2 一直持续到负载电流减小为 0 ,然后再转向模式 3 。总之 ,模式 2 是负载 L 向 C2 充电的过程 。 模式 3 :t2 ～t3 阶段 ,负载电流负向 (由 B 到 A) 增大 。 当负载电压为正时 ,Q3 、Q4 导通 。电流从电容 C2 的正极流出 ,电容 C2 向负载电感放电 ,电感 L 上 的电流值随之增大 ,电容 C2 上的电压随之减小 。下 面分三种情况讨论 :第一 ,假如电流正负对称 ,则模 式 2 中上升的电压会下降到整流桥的直流电压值 ; 第二 ,假如负载电流具有正的直流分量 ,则电容 C2 下降的电压将小于模式 2 中上升的电压 ,经过每个 周期的积累 ,电容 C2 上的电压会不断升高 ;第三 ,假 如负载电流具有负的直流分量 ,则电容 C2 下降的电 压会大于模式 2 中上升的电压 ,此时整流桥二极管 开通 ,立刻对电容 C2 充电保持电压稳定 。当负载电 压为 0 时 ,负载通过 D6 、Q3 负向续流 。模式 3 一直 持续到负载电流达到负向最大值 ,然后再转向模式 4 。总之 ,模式 3 是 C2 向负载 L 充电的过程 。 模式 4 :t3 ～t4 阶段 ,负载电流负向减小 。 当负载电压为正时 ,D1 、D2 导通 。电流从电容 C1 的正极流入 ,负载电感向电容 C1 充电 ,电感 L 上 的电流值随之减小 ,电容 C1 上的电压随之增大 ,当 高于整流桥的直流电压时 ,整流桥的二极管就会承 受反向电压而关断 ,电容 C1 的电压会不断升高 。当 负载电压为零时 ,由于电流方向为负 ,仍然通过 D6 、 Q3 负向续流 。模式 4 一直持续到负载电流减小为 0 ,然后再转向模式 1 ,完成一个周期 。总之 ,模式 4 是负载 L 向 C1 充电的过程 。 具体哪一侧抬高要看负载中电流的直流分量为
当负载电压为正时 ,Q1 、Q2 导通 ,电流从电容 C1 的正极流出 ,电容 C1 向负载电感放电 ,电感 L 上的 电流值随之增大 ,电容 C1 上的电压随之减小 ,当低 于整流桥的直流电压时 ,整流桥会立刻对电容充电 ,
保持电压稳定 。当负载电压为 0 时 ,D5 、Q2 导通 ,负 载正向续流 。模式 1 一直持续到负载电流达到正向 最大值 ,然后再转向模式 2 。总之 ,模式 1 是 C1 向负 载 L 充电的过程 。
以感性负载 L 通过带有直流分量的正弦波为 例 ,如图 2 所示 。在一个周期内 ,根据开关器件不
收稿日期 : 2006209230 基金项目 : 国家九五重大科学工程资助项目 ( EAST 超导托卡马克核聚变试验装置) 计投资 (1998) 1303 号 作者简介 : 颜世超 (19822) , 男 , 山东籍 , 硕士研究生 , 主攻多电平 PWM 逆变器的研究 ;
图 4 模式 2 与模式 3 的统一图 Fig. 4 Unified figure of mode 2 and mode 3
根据脉宽调制的基本原理[6] ,等宽 dt 时间上不 等幅 u ( t) 的冲量 u ( t) 3 dt ,等于等幅 U1 (母线电 压) 不等宽 dPWM时间上的冲量 U1 3 dPWM :
电容电压抬高的直接原因就是有电流向电容充 电 ,三电平电路中的两个大电容通过开关器件的不 同组合状态与负载进行能量交换 ,当负载电流含有 正向直流分量时 ,根据前面的分析 ,电容 C2 存在电 压升高的现象 。在一个周期内 ,只有模式 2 和模式 3 与电容 C2 有关 ,这两个模式也是负载承受负电压 的时段 ,可以把这两个模式通过两个开关 PWM1 和 PWM2 统一在图 4 中 ,两个开关互补 ,一个开通 ,另 一个就关断 。PWM1 的开通时间随着负载 L 上的电 压绝对值的大小的变化而变化 ,并且成正比例关系 。
dt
=
2LAB U1
泄放电阻 R 一个周期消耗的电量为
∫ QR =
T 0
U1 R
dt
=
U1 T R
则电容 C2 单位周期的电压升高值为
ΔU
=
QL
- QR C
=
1 C
2LAB U1
-
TU1 R
公式 (1)
式 (1) 乘以电流的频率可得单位时间内电压变
化值 。公式 (1) 表明 :单位时间内电容电压升高值随
U2 =
U21 +
1 C
4LAB -
2 TU21 R
则电容 C2 单位周期的电压升高值为 :
ΔU′=
U21 +
1 C
4LAB -
2 TU21 R
- U1 公式 (2)
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第 26 卷
式 (2) 乘以电流的频率可得单位时间内电压变 化值 。虽然公式 (2) 的表达形式与公式 (1) 相差很 多 ,但是可以得到与公式 (1) 一致的结论 。