三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真

第00卷第0期

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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!）""00%

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4／+5-+/

给出了较好的仿真结果’6,*7-,89仿真工具对系统进行了研究，

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：:4#1#文献标识码：;文章编号：（）"!<0$0=#>!""<"0$"0&<$"<

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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

三电平逆变器与传统的两电平逆实用的一种电路’

变器相比较，主要优点是：器件具有!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!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，收稿日期：!""#$"!$!#作者简介：陶生桂（，男，江苏常熟人，教授，博士生导师’：%&#"$）()*+,-./&%0&!%10’23*万方数据

HLC

同济大学学报（自然科学版）

第HH卷

并用美国!"#$%&’()公司推出的交互式仿真软件!／给出了较好的仿真*+,*-./01,/2(进行了研究，结果3

所示3电路中#，F，为?，F为续流#@9#管，A4#H4A二极管，，F为储能电感，，F为分压电容3与普J:4J4:

通抑制电路相比，该电路增加了一个?，@9#管#H通过控制#管的导通与关断，可以抑制直流侧电压H不变情况下:，F端的电压变化，即使"<降"<G4:G低，该电路也能有效抑制中点电位的偏移

3

!三电平逆变器及中点电位偏移原理

三电平逆变器主电路结构如图4所示3其中分别为6（68"，，相上的电力电子器59:）64!567

件———绝缘栅双极型晶体管（/2)1,*+;<=*+;-/&,*’>，；为与其反并联的续流二+’*2)/)+&’?@9#）A64!A67极管；A6B，A6C为相应各相的箝位二极管；D，E为直流侧正、负电压母线；!为中性点；:4，:F为直流侧的分压电容；""!":为逆变器的三相输出电压；<G为直流侧电压；#:4和#:F分别为流经:4和:F的电流；#ED

为流经中性点的电流3以6相为例说明三电平逆变器的工作原理为：564和56F导通时6相输出正电平；56H和567导通时，6相输出负电平；56F和56H导通时，6相输出零电平3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

3

图!绝缘栅双极型晶体管"#$%三电平逆变器

主电路原理图&’()!*+’,-’.-/’01-234+0’-56’,1/7+038(+039’:

57+.0.+,1’105.02.33;73<37’,<3.03.

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#ED，

如图4所示3当某一相上输出为零电压时（56F，56H管导通）

，中点电流使得直流侧电容分压产生失衡：当#ED流出中点时，对:4充

电；当#ED流入中点时，对:F充电，若:4，:F的充放

电过程不均衡，则中点电位就要发生偏移3由此可见，#:4!#:F或#ED!I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3

中点电位平衡电路设计及其工作原理

笔者提出的中点电位平衡电路的主电路如图万方数据F

图=中点电位平衡电路主电路

&’()=*+’,-’.-/’01-234+0’-56023,3/0.+7;:

5’,0<570+(39+7+,-’,(

#!!$%

保持不变情形下的中点电位的平衡若"<G保持不变，则"<G8":4K":F为常数，":4增加必然导致":F下降，同样":4下降必然使":F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3为实现这一目标，使#H始终处于导通状态，此时的等效电路如图H所示

3

图>%>导通时的等效电路图&’()>?@/’<+73,0-’.-/’0A23,%>

0/.,15,这一电路由9&&)+和91G(变换器组成3#4，A4，4和:F构成91G(变换器；#F，AF，JF和:4构成

&&)+变换器3电路的工作模式相应地分为91G(变换模式和9&&)+变换模式3这两种变换模式的工作状态应当互补3当":4"":F时，

91G(变换电路#4，A4，J4，:F）开始工作，与此同时，9&&)+变换电路停止工作391G(变换模式中，是通过调整:F两端的电压实现抑制中点电位偏移的3当#4导通时，一方面在"<G作用下，电流流经#4，J4，:F，

另一方面""J9（"

第1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

1?=

电容!上的电压!!经#与$构成回路，均使电""""感$储能；当#关断时，经!，"，的回路将储$""%&"

存在$中的电能转换到!中，电容!充电，其上"%%与!上的电压平衡’电压增大，直到!"%

当!!时，()*+变换器不再工作，(,,-.%!!!"

，%中的能量将变换电路开始工作’由于!!

%!!!"!中’当#导通时，一方面!上的电间接转移到!"%%压!!经%，放电，能量存储在$中，另一方面#%$%%经"和!重新分配电压；当#关断时，二极管!/*!%%

看出，，%的耐压值应当是三电平逆变器中开关#"#

器件耐压值的%倍’

%"!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!/／的电解电*%，%设计为标称值相容’为简单起见，完全可以将!"!由三电平逆变器的工作过程容易推出等的电容"，电容"的计算公式为

$34567

（）"#"

%导通，存储在$%中的能量通过&%转移到!"中’这样，在(,,-.变换模式中，通过调整!"两端的电压就可以抑制中点电位的偏移，直到!!

"0!!%’

"!直流侧电压!#$

降低情形下的中点电位的平衡当输入电源发生脉动导致!/*

减小至低于电压保护设定值时，图%所示电路中的#1管关断，此时的等效电路如图2所示’(,,-.和()*+变换器同时工作，不仅使!"，!%上的电压平衡，而且使它们的电压之和等于所设定的!/*值’()*+变换器调整电容%两端的电压’#"导通时，从!/*

流出的电流流经"，$"，!%，使$"储能；#"关断时，$"中的能量转换到!%中’与此同时，(,,-.变换器将能量从!%

转换到!"中，调整!"两端的电压，其工作过程与上述,,-.变换模式相同’

图!"#关断时的等效电路图$%&’!()*%+,-./01%21*%034./"#

0*2/5677电路参数的设计

"&开关功率管的设计

文献［1］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#"导通、储能电感$"中电流线性增加过程中或出现在#%导通、电流流经!%对$%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#"，#%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万方数据’

另外不难%!34!348

式中：$34567为流经中点的电流最大值；!34为中点电位波动频率；!348

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"、

调制深度为%、输出角频率为!、输出电流有效值为$，则中点电位的偏移值!34可以计算出来，中点电压变化的最大值!3

48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$34567

为$34567#

（%）一般说，中点电位波动频率!34为逆变器输出频率!的1倍，

即!34#1!（1）结合式（"）（，%）（，1），容易计算出电容"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’%"%储能电感的设计

在()*+变换模式中，流过储能电感$"的电流不能发生突变，只能近似线性地上升或下降’设开关周期为’，开关管#"导通时间为(,9，截止时间为(,::，占空比为)0(,9／’’在开关管#"导通时，忽略其饱和导通管压降，则$"两端电压为!$"#!/**!!%

（2

）又

!$"#+"!$$"567／(,9

（;

）式中：!$$"567为#"导通期间储能电感$"中流过电

流增加量的最大值’

由式（"）（，%

）可解得+"#!$"(,9／!$$"567#

（!/**!!%）(,9／!$$"567

（<

）#"关断时，

!!%#+"!$,$"567／(,::（=）式中：!$>$"567为#"关断期间$"中流过电流减小量

的最大值’

由!$$"5670!$>$"567

，可得&!!#(%%

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同济大学学报（自然科学版）

第’’卷

!!!#""#$将式（）代入式（）得&’

!$("’"&)!+(,-."#（!#）"／(!#!’$%!!"!!$+(,-."

（）%仿真模型中引入了时钟（!）、正弦波（>）<)$7?*@-AB等信号源模块以及增益（)）、积分运算(／*和微分／数字仿真模型更多地使用了数#+#&等运算模块3

字逻辑模块，完成诸如或（C、非（E和异或D）C5）（E等逻辑运算3CD）!F模块是一个关系运算模块，>B<B$2)G为一个选路器模块，B1模块是一个设定H值误差3大量复杂的运算是通过函数计算模块（I）$*来完成的3在图-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!J，在图=中，输入为中性点电流和!0，!!3开关控制信号>，，输出为!!，"3K(>K"(!!

仿真参数为：三电平逆变器直流侧输入电压为输出频率为(，采用双三角波（>&’8L，8MNO@;）调制3控制电路中分压电容值为’’，储能电感88#I值为’,开关频率为"7，占空比为&三相M，MN893对称负载等效为&$的纯阻性负载3图:给出了仿真波形3从仿真结果来看，应用该硬件电路来抑制"个串联电容中点电位偏移，能获得良好的效果3

（）

（!#）(／（）(!#!’/$%!!(!!$+(,-.

根据同样的道理3可得+在0))12变换模式中，"

的计算公式3为方便起见，同样可以将+，"设计为(+相同标称值的电感3

!"#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3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3一般取平衡电路的开关频率为逆变器主电路开关频率的"占空比的设计应当满足使"4倍3得在5动作的0储能电感+中的能量6$7模式中，((完全转换到!中；在5动作的0中))12模式中，+(""的能量完全转换到!中，因此占空比一般可以设计(为489":893

$结论

（）在多电平逆变器中，该方案为电容电压分(

配均匀提供了很好的参考方案3

（）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

3

#建模仿真及其分析

笔者在;／-2<-=>?,6<?*7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&-和=所示3

万方数据

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第F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FGG

图!基于"／#$%#&’()*%(+,的仿真模型

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图4仿真波形

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［］邵丙衡1电力电子技术［J］北京：中国铁道出版社，A1!GGE1

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，J8T.%N7-,33!GGC1参考文献：［］"，!#$%&&’(，)*%#%&+%,-%#.%&/*%&1(2$34,3’5’3,&5’.4’.%706，，.#%8*6.#5,9,&:73,&;<%3%&8,&.,9’74*.#$*’&*%&2’&4%&960+00

［］8#22#&72#9’5#34%’’3,2,&%4,#&"1=>>>?.%&@%84,#&@#&=&70（编辑：杨家琪）

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