三电平逆变器基本介绍

三电平逆变器基本介绍一、三电平逆变器的基本工作原理负载1D1Q2Q3Q4Q2D3D4DGND1C2CLCBUS+BUS−LiCu+−−−++DCV21DCV21+−u图1三电平逆变器主电路图2四个开关管的驱动信号波形当u时，u，且表示Q1通Q3断，S表示Q1断Q3通；0DCVS2/1**=1*=S0*=当u时，u，且表示Q2通Q4断，表示Q2断Q4通；0DCVS2/1*)1(*−=1*=S0*=S由以上可见，S代表了Q1通（输出电压的正半周）或Q2通（输出电压的负半周），而由图2可见，Q1正半周与Q2负半周的驱动波形组合起来与原两电平的上管驱动波形完全一致，因此可以直接在原两电平的控制器平台上进行一定的修改，即可得到适合于三电平的控制器。1*=−=−+==时时0u41*42/1*)1(0u41*42/1*DCmtDCDCDCmtDCDCVvVVVSVvVVVSu图3三电平逆变器模型（包括调制部分）图4三电平逆变器的控制框图二、三电平逆变器的缓冲电路负载1Q2Q3Q4Q3D4D1DCC2DCCLCLiCu+−−−++DCV21DCV21+−u1D1R1C2C2D2RAP1P2N1N2G1G2图5实验中所采用的NPC缓冲电路实验中发现在突加RCD负载时会在Q2、Q3上产生很大的电压尖峰，经仔细分析，主要有以下两个方面的原因：第一：在突加RCD负载时会产生很大的电流尖峰，由于控制板在设计时考虑的状况是当出现过流信号时同时封锁Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号，从而导致A点电位在封锁Q1、Q2、Q3、Q4驱动瞬间的变化最大幅值可以达到V，很类似于两电平逆变器工作时的状态，容易导致开关管上出现电压尖峰。DC解决办法：当出现电流尖峰时仅仅封锁Q1、Q4的驱动信号，而Q2、Q3的驱动不封锁，仍然保持原状态不变，如此一来在封锁Q1、Q4驱动瞬间A点电位的变化最大幅值仅仅为1，因此大大减小了开关管上的电压尖峰。DCV2/第二：在突加RCD负载时输出电压的正负半周会出现误判的状况。以一个实际的工作状况对此加以说明，假设当前处于桥臂输出电压的正半周，但是由于此时突加RCD负载因此误判为是在电压的负半周，因此会做以下操作：将原来处于开关状态的Q1改为常断；将原来常通的开关管Q2改为开关状态；将原来处于开关状态的开关管Q3改为常通；将原来常断的开关管Q4改为开关状态，而在此转换过程当中，负载电流很大，很容易在开关管上产生电压尖峰。图6三电平逆变器的控制框图解决办法：在程序里再加一条粗略判断桥臂输出电压正负半周的标准，即依靠wSinPointer来近似判别当前桥臂输出电压的正负半周。程序里目前所采用的方法是：当12wSinPointer184时肯定是在输出电压的正半周，此时原来利用um进行正负半周的判别不起作用；当203wSinPointer375肯定是处于输出电压的负半周，此时原来利用um进行正负半周的判别也不起作用（目前为了判断的正确无误，留有了10个开关周期的判断缓冲，今后该参数可以变更）。由此可见，该解决方案并没有对桥臂输出电压过零点附近的误判进行处理，这是因为在桥臂输出电压过零点附近即使突加RCD负载，一方面电感电流il幅值不会很大，难以出现误判的状况；另外一方面即使出现了误判的状况也不会产生较大的开关管电压尖峰，因为此时冲击电流不大，开关管关断时电压尖峰不大。三、三电平电路中开关管直通问题分析负载1Q2Q3Q4QGND1C2CLCBUS+BUS−LiCu+−−−++DCV21DCV21+−uGND图7三电平T字型拓扑电路可能出现Q1与Q4同时导通的状况就是在输出电压由正半周转入负半周或者是输出电压由负半周转入正半周时，此时所考虑的相邻两个开关周期同时包含有正半周、负半周各一个开关周期。由于调制信号s(t)满足：在输出电压的正半周，满足：s(t)=2*m(t)-1/2T1PR其中m(t)0在输出电压的负半周，满足：s,(t)=2*m,(t)+1/2T1PR其中m,(t)0而且，正半周Q1出现满脉宽对应于此时的s(t)取最大值；而负半周Q4出现满脉宽则对应于此时的s,(t)取最小值，在相邻两个开关周期内如果能够保证Q1与Q4不会同时取较大的脉宽，实际上也就可以保证Q1与Q4不会同时导通了。在稳态时，由于在一个基波周期内m(t)是连续的函数（当然s(t)则只是分段连续的函数），而m,(t)与m(t)之间的时间差异仅仅为一个开关周期，因此m,(t)与m(t)数值相差很小，从而也就不可能使得正半周最后一个开关周期内s(t)取最大的值（最大取值为T1PR）而紧接着的负半周第一个开关周期s,(t)取最小的值（最小取值为0），因此稳态时也就不存在Q1与Q4同时导通的可能性了。但是，在动态过程中（如突加RCD负载）由于会出现正负半周判断失误的状况（参考文献1），有可能会使得Q1与Q4同时输出较大的脉宽。假设当前时刻为输出电压正半周的峰值点处，显然此时Q1为满脉宽，Q4断态，若刚好在此时刻突加RCD负载，由于控制的原因使得m(t)取值为负，从而导致输出电压正负半周判断出现错误，因此立即关断Q1开通Q4，如果由控制计算出的m,(t)足够小从而使得此时的s,(t)=2*m,(t)+1/2T1PR会限幅至0，那么Q4一旦开通就输出满脉宽，由于Q1是满脉宽关断而Q4是满脉宽开通，因此就使得Q1与Q4存在同时导通的可能。直观上看来，T字型三电平拓扑中Q1与Q4之间必须存在死区时间才能保证不会导致V直通，这一点的分析与解决办法见参考文献1。但是，在I字型电路拓扑当中，也存在V直通的可能性，分析如下：DCDC设当前时刻处于输出电压的正半周，而且此时各个开关管的开关状态为：Q1导通、Q2导通、Q3关断、Q4关断，此时若突然切换到输出电压的负半周（切换到负半周的原因很多，比方说输出电压自然过零时从正半周穿越到负半周，或者由于突加RCD负载导致控制上判断失误而强迫转入负半周），则有可能各个开关管的状态立即转为：Q1关断、Q2关断、Q3开通、Q4开通，即存在Q1、Q2由导通转为关断，同时Q3、Q4由关断转为导通，由于IGBT开关管的开通时间远远小于其关断时间（这也是挂在直流电压源上的同一桥臂开关管彼此之间必须设置死区时间的原因），因此如果在正半周Q1是满脉宽（而Q2常通，肯定是满脉宽），而且负半周Q4也是满脉宽（而Q3常通，肯定是满脉宽），那么就有可能导致V直通。由此可见，I字型电路与T字型电路一样存在V直通的问题。DCDC负载1Q2Q3Q4Q3D4D1C2CLCLiCu+−−−++DCV21DCV21+−uAGNDGNDBUS+BUS−图8I字型三电平电路拓扑目前在程序里加了一条粗略判断桥臂输出电压正负半周的标准，即依靠wSinPointer来近似判别当前桥臂输出电压的正负半周，在由此粗略判断所得到的正负半周范围内不再利用m(t)进行正负半周的判别，因此这样一来，虽然还会出现正负半周误判的状况（在此粗略判断范围之外的地方），但是可以保证出现误判时刻的Q1脉宽不大，从而使得即使出现误判后Q4的脉宽最大，但由于Q1的脉宽不是满脉宽，因此也不会造成Q1与Q4同时导通的状况。实际上，如果任何时候都对开关管Q1、Q4的最大脉宽加以限制的话，也可以避免V直通的发生，如将Q1、Q4的最大占DC空比限制为98％，那么Q1、Q4导通之间的最小时间间隔为(1－98％)*52us=1.04us，对目前逆变器上所采的开关管而言已经可以完全保证Q1、Q4不会同时导通了；同时由于限幅后占空比损失不是很大，对波形的影响基本可以忽略。四、选择拓扑结构的观点与建议两种拓扑结构由于控制上完全一致，因此在选用拓扑时可以忽略控制方面的因素，对拓扑的选取起关键作用的是电路性能方面的差异以及电路价格及结构方面的因素。山特目前所开发的UPS，依据不同的划分标准具有各种不同的类型，既有小功率UPS，又有大功率UPS；既有针对120V电网系统的UPS，又有针对230V电网系统的UPS，因此很难针对所有的机型给出一个统一的选择，只能根据具体情况作出最佳选择，具体如下：针对120V电网系统的UPS，一方面由于输入电压比较低，在同样功率等级下所对应的电流比较大，而T字型拓扑的通态损耗小于I字型，因此选择T字型拓扑较合适；另一方面，由于输入电压较低，在T字型拓扑中Q1、Q4开关管的耐压不会太大（假设BUS电压选取为200V，则可以选择600V的IGBT），因此不成其为T字型拓扑的缺点。综合起来，可以说对120V电网而言，T字型拓扑是一个比较好的选择。针对230V电网而言，T字型拓扑中Q1、Q4开关管工作过程中所承受的高电压将使得T字型拓扑的优势下降（假设BUS电压为345V，则应选取1200V的IGBT）；而且由于电压比较高，相应的电流也会下降，从而使得I字型电路通态损耗较大的缺点不会体现得那么明显。因此，针对230V电网而言，I字型拓扑与T字型拓扑互有优缺点，需要根据电路设计当中的指导思想来选取相应的电路拓扑。对于不同功率等级的UPS而言，选取哪一种拓扑结构同样取决于设计者的指导思想，即若希望提高机器效率，降低损耗，则选取T字型拓扑是比较好的选择；若希望降低开关管应力，采用耐压低的开关管，那么I字型电路是比较好的选择（当然，I字型电路当中会增加两个二极管，这会使得需要更大的空间以及更大的散热器面积，这一点在选择I字型拓扑时应加以权衡）。