《電子技術(shù)應(yīng)用》
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非對(duì)稱H橋五電平逆變器及其通用調(diào)制策略
摘要: 本文首先對(duì)非對(duì)稱h橋五電平逆變器進(jìn)行了分析,利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種通用的調(diào)制策略。最后以電容箝位型非對(duì)稱h橋拓?fù)錇閷?shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)所提調(diào)制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
Abstract:
Key words :

 

1 引言

  混合多電平逆變器的功率開(kāi)關(guān)承受的電壓應(yīng)力不同,因此同一拓?fù)渲锌梢圆捎貌煌墓β势骷?,充分利用了功率開(kāi)關(guān)各自的優(yōu)點(diǎn)。非對(duì)稱h橋是混合多電平逆變器中最基本、最典型的一類拓?fù)?,其半橋的功率開(kāi)關(guān)可以分別工作在基頻和高頻pwm方式,與傳統(tǒng)多電平逆變器相比,在輸出相同電平數(shù)的情況下,減少了功率器件,降低了開(kāi)關(guān)損耗[1,2]。本文首先對(duì)非對(duì)稱h橋五電平逆變器進(jìn)行了分析,利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種通用的調(diào)制策略。最后以電容箝位型非對(duì)稱h橋拓?fù)錇閷?shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)所提調(diào)制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 非對(duì)稱h橋五電平逆變器

  非對(duì)稱h橋拓?fù)涫腔旌隙嚯娖酵負(fù)渲凶罨?、最典型的一類拓?fù)?,其半橋的功率開(kāi)關(guān)可以分別工作在基頻和高頻pwm方式,與傳統(tǒng)多電平逆變器相比,在輸出相同電平數(shù)的情況下,減少了功率器件,降低了開(kāi)關(guān)損耗。目前最具有實(shí)用價(jià)值的三種五電平非對(duì)稱h橋有:雙向開(kāi)關(guān)非對(duì)稱h橋、二極管箝位型非對(duì)稱h橋和電容箝位型非對(duì)稱h橋,分別如圖1(a)、(b)、(c)所示。圖1(a)的雙向開(kāi)關(guān)型五電平逆變器通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)(s5和d1~d4)和h橋(s1~s4),將兩個(gè)直流電源e的電壓組合輸出五電平交流電壓;圖1(b)為二極管箝位型五電平逆變器,其左半橋?yàn)槎O管箝位型三電平半橋,右半橋?yàn)閮呻娖桨霕颍鴪D1(c)為電容箝位型五電平逆變器,其左半橋?yàn)殡娙蒹槲恍腿娖桨霕颉?/p>

  傳統(tǒng)的多電平逆變器有三類:二極管箝位型、飛跨電容型、h橋級(jí)聯(lián)型,附表為五電平逆變器單相所需功率器件對(duì)比表,與傳統(tǒng)的三類五電平逆變器相比,前三類拓?fù)洳捎秒妷簯?yīng)力為1:1的功率開(kāi)關(guān),導(dǎo)致拓?fù)渌韫β书_(kāi)關(guān)最多;圖1的非對(duì)稱h橋五電平逆變器混合應(yīng)用電壓應(yīng)力比為1:2的功率開(kāi)關(guān),以較少的功率開(kāi)關(guān)輸出五電平電壓,從輸出電壓電平數(shù)和所用功率開(kāi)關(guān)數(shù)的角度來(lái)說(shuō),比前三類拓?fù)渚哂懈蟮膬?yōu)勢(shì)。

3 通用調(diào)制策略

  圖1中的非對(duì)稱h橋五電平逆變器已有的調(diào)制策略分別采用特定次諧波消去法[3]和方波-消諧波pwm合成調(diào)制策略[4],前者在電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的頻繁寬調(diào)速范圍過(guò)程中,開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的查表值與真實(shí)值之間會(huì)存在一定的偏差,后者需要把高、低頻功率開(kāi)關(guān)的半橋進(jìn)行分離調(diào)制,計(jì)算出高頻功率開(kāi)關(guān)半橋的調(diào)制波,增加了調(diào)制策略的復(fù)雜性。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出一種對(duì)非對(duì)稱h橋五電平逆變器具有通用性的調(diào)制策略。

  3.1 通用調(diào)制策略原理

  目前常用的“半橋”主要有三種類型:兩電平半橋hb1、二極管箝位型n電平半橋hb2、電容箝位型n電平半橋hb3。而將這三類“半橋”進(jìn)行有序混合,構(gòu)成通用非對(duì)稱h橋如圖2所示。圖中hbx’表示這個(gè)“半橋”相對(duì)于hbx以較少的耐高壓功率開(kāi)關(guān)工作于階梯波調(diào)制方式,而hbx則以較多的低壓功率開(kāi)關(guān)工作于pwm調(diào)制狀態(tài),x為1、2、3,偶數(shù)m為直流電源的標(biāo)么系數(shù),輸出電壓的每個(gè)電平電壓為e。非對(duì)稱h橋的特點(diǎn)是,當(dāng)pwm調(diào)制狀態(tài)的半橋hbx的功率開(kāi)關(guān)承受e的關(guān)斷電壓應(yīng)力時(shí),右半橋hbx’的功率開(kāi)關(guān)承受的關(guān)斷電壓應(yīng)力最大需達(dá)到me,限制了其功率開(kāi)關(guān)只能為低頻、耐高壓器件。而圖1中的三種非對(duì)稱h橋五電平拓?fù)涫菆D2的通用非對(duì)稱h橋當(dāng)m=1時(shí)的特例。

  圖2的通用非對(duì)稱h橋的右半橋工作在基頻方波調(diào)制時(shí),其驅(qū)動(dòng)信號(hào)與調(diào)制波的過(guò)零點(diǎn)同步。根據(jù)調(diào)制波所在正負(fù)區(qū)域的位置及左半橋hbx輸出電壓電平對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),確定出基波周期內(nèi)載波的分布狀態(tài)。而3種類型的“半橋”中功率開(kāi)關(guān)呈互補(bǔ)對(duì),因此載波數(shù)量即為左半橋hbx的功率開(kāi)關(guān)互補(bǔ)對(duì)數(shù)量,也就是直流電源的標(biāo)么系數(shù)m。圖3為非對(duì)稱h橋拓?fù)涞耐ㄓ谜{(diào)制策略,載波cm、cm’根據(jù)輸出電壓電平對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行有序?qū)盈B分布。而正負(fù)區(qū)域內(nèi),載波層疊的位置需根據(jù)輸出電平對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定,調(diào)制波vref與其所在的載波ci層進(jìn)行分層、分區(qū)pwm調(diào)制,得到對(duì)應(yīng)功率開(kāi)關(guān)si互補(bǔ)對(duì)的pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào),使得非對(duì)稱h橋的uo輸出與載波ci對(duì)應(yīng)的pwm電平層。而在此時(shí)間區(qū)域內(nèi),其它功率開(kāi)關(guān)均處于導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)。

 

  3.2 非對(duì)稱h橋五電平逆變器的通用調(diào)制策略

  由圖1的非對(duì)稱h橋五電平逆變器的工作機(jī)理可得,非對(duì)稱h橋的右半橋的功率開(kāi)關(guān)均工作于基頻,左半橋功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為pwm互補(bǔ)對(duì),例如圖1(a)中功率開(kāi)關(guān)s1、s5(或s2、s5)互補(bǔ);圖1(b) 功率開(kāi)關(guān)s1、s3互補(bǔ)且s2、s4互補(bǔ);圖1(c)功率開(kāi)關(guān)s1、s4互補(bǔ)且s2、s3互補(bǔ)。由圖3的非對(duì)稱h橋通用調(diào)制原理可得非對(duì)稱h橋五電平逆變器通用調(diào)制原理如圖4所示。非對(duì)稱h橋五電平逆變器在調(diào)制波的正半周期內(nèi),需要2路垂直分布的載波c1、c2,調(diào)制波與這兩路載波進(jìn)行spwm調(diào)制,分別對(duì)應(yīng)得到非互補(bǔ)功率開(kāi)關(guān)s1、s2的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使得五電平逆變器輸出對(duì)應(yīng)于載波c1、c2的兩個(gè)pwm電平層1、2。右半橋s5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由調(diào)制波的過(guò)零點(diǎn)決定。在調(diào)制波的負(fù)半周期內(nèi),載波交錯(cuò)分布到調(diào)制波的負(fù)區(qū)域,完成負(fù)半周期的spwm調(diào)制,輸出pwm電平層1’、2’。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  為了驗(yàn)證非對(duì)稱h橋五電平逆變器的通用調(diào)制策略,本文以單相電容箝位型五電平非對(duì)稱h橋拓?fù)錇閷?shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。直流母線電壓e=20v,載波頻率fc=2khz,調(diào)制波頻率fm=50hz,調(diào)制度ma=0.95,rl負(fù)載,r=100ω,l=63ml。

  圖5為功率開(kāi)關(guān)s1、s5驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形,功率開(kāi)關(guān)s1~s4均工作于高頻pwm狀態(tài),功率開(kāi)關(guān)s5、s6工作于基頻狀態(tài)。圖6為逆變器輸出電壓與箝位電容電壓實(shí)驗(yàn)波形,uo為逆變器輸出的五電平電壓,uo為逆變器箝位電容電壓,由于正、負(fù)半周期地對(duì)箝位電容進(jìn)行充、放電,使得電容電壓存在較小的波動(dòng),但通用調(diào)制策略使得箝位電容電壓達(dá)到了較好的平衡。圖7為逆變器輸出電壓與負(fù)載電流實(shí)驗(yàn)波形,il為負(fù)載電流(電阻r兩端電壓),rl負(fù)載使得負(fù)載電流具有較好的正弦度。

5 結(jié)束語(yǔ)

  本文對(duì)三種非對(duì)稱h橋五電平逆變器進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上提出一種對(duì)非對(duì)稱h橋通用的調(diào)制策略,適用于三種非對(duì)稱h橋五電平逆變器。最后,通過(guò)單相電容箝位型五電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了所提方法的正確性與有效性。

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