三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真概要.docx

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(200503-0395-05Design and Simulation of Nove l Circuit for Neutral 2PointVoltage Balance in Three 2Level InverterTAO Sheng 2gui，GON G Xi 2guo，YUAN Deng 2ke(Department of Electrical Engineering，Tong ji University West Campu s，Shanghai 200331，ChinaA bstract :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 keyaspects that affects the reliability of the three 2level inverter and its electric drive system.T his 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JO U RNAL O F TONGJI U NIV ERS ITY(N ATURAL SCIENCEVol.33No.3 Mar.2005并用美国MATH 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.三电平逆变器主电路结构如图1所示.其中V X1V 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,IGBT;D X1D X4为与其反并联的续流二极管;D X 5,D X 6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 X3和V X 4导通时,X相输出负电平 X 2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 cir cuit schematic of insulated gate bipolartransistor thr ee 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 X 3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 C1X i C2或i NP X 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T,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IGBT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IGBT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 cir cuit schematic of the neutr al 2pointvoltage ba lancing2.1 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 Equiv a lent cir cuit 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396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 cir cuit when T 3tur ns 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T1导通、储能电感L1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 max 2X NP U NPR(1式中:I NP max为流经中点的电流最大值;X NP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H、调制深度为M、输出角 频率为X、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X NP为逆变器输出频率X的3倍，即X NP =3X(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 1$I L1max /t on(5式中:$I 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 /$I L1max =(U dc -U C2t on /$I L1max(6T 1关断时，U C2=L 1$I c L1max /t off(7式中:$I c L1max为T 1关断期间L 1中流过电流减小量的最大值.由 $I L1max =$I c L1max，可得397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-kk U C2t on $I Lima x =（U dc -U C2U C2T /U dc $I Llmax =（U dc -U C1U C1T /U dc $I 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24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、E（NOT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10H z,采用双三角波（SPWM调制.控制电路中分压电容值 为3300L F,储能电感值为3mH,开关频率为2kH z,占空比为50%.三相对称负载等效 为58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,Allnjhl?HMrved.jkIAesdan ic Jbumal F be buau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.398同济大学学报(自然科学版第33卷图 5 基于 Matla b/Simulink 的仿真模型 Fig.5 Simula tion models based on Matla b/Simulink图 6 仿真波形 Fig.6 Simulation waveforms参考文献：1 Jouanne A,Shaoan Dai,H aoran Zhang.A multilevel inverter ap 2proach providi ng DC 2link balancing,ride 2through enhanment,and common 2mode voltage elimination J .IEEE Transactions on In 2dustrial Electronics,2002,8(4:739-745.邵丙衡.电力电子技术M .北京:中国铁道出版社,1997.SHAO Bing 2h eng.Power electronics technologyM.B eiji ng:Ch i 2nese RailwayPublication,1997.3 Pressman A I.Swi tching power supply desi gn M .New York:McGraw 2Hill,1998.（编辑:杨家琪399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