三电平逆变器极管中点钳位型简介

三电平逆变器是现有多电平逆变器中应用较为广泛的一种，其应用已有许多实例。其中，二极管中点钳位型(neutral point clamped， NPC)逆变器多应用在以静止同步补偿器、有源电力滤波器为代表的柔性交流输电技术和以中高压变频为代表的大电机拖动、风力发电等领域。但是二极管钳位型三电平逆变器的研制、工程化和应用仍存在着许多问题， 尤其是高性能、 高可靠性的系统并不多见 ，其主要原因有：

1）二极管钳位型逆变器的实际性能分析困难。二极管钳位型逆变器结构复杂，每一相桥臂都由多个功率开关管和二极管组成；复杂的调制策略，令功率开关管不断的开通和关断，使逆变器工作在多种工作模式下。此外，工作回路中寄生电感的存在也会给器件的开关特性产生影响 。

2）实时在线状态未知。对大功率开关半导体器件的测试多为离线测试和准在线测试。这两种方法都无法同时、准确地测量出大功率逆变器实际工况下各器件之间“牵一发而动全身”的动态特性，无法得知器件的实时在线状态 。

3）故障预防和裕量设计不合适。由于无法监测到大功率开关半导体器件在故障时异常的动态特性，因此无法给故障的预防提供参考。且在大功率开关半导体器件选型时，裕量的选择往往是凭经验，常导致裕量设计不合适 。 解读词条背后的知识 电气新科技 媒体人,《电气技术》杂志社有限公司,科技领域爱好者

可有效改善三电平逆变器输出电流质量的优化策略

天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心（天津工业大学）、天津大学电气自动化与信息工程学院的研究人员谷鑫、刘潮、张国政、史婷娜、夏长亮，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“三电平逆变器同步不连续空间矢量调制输出电流优化策略”），以中点钳位型三电平逆变器...

三电平逆变器主电路现在采用的是比较实用的二极管中点嵌位电路,通过一对中点箱位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相联,将功率开关器件GIBTQ:~Ql:分别串联,二极管D:~D.用于嵌位电平,C:,C:均衡直流侧电压(C=IC:),并按一定的开关顺序逻辑控制产生三种相电压电平E二/2、O、一E二/2,在输出端合成正弦波。相比原来两电平电路优点显著:每个开关器件承受的电压值相当与原来直流电压的一半,波形质量得到了改普 。

根据三电平逆变器的定义,这种逆变器结构的输出为三个电平或者说是三个状态,即(一E/2、0、 E/2),用符号相应地表示为(N、0、P)。因此,对于三相电压型逆变器一共就存在着27种输出状态。在图3.1所示的三电平逆变器主回路结构中,a、b、c三相均由四个开关共同组合构成,每一相的输出状态也就是由这四个开关的不同状态组合决定的 。

近来,随着高电压技术的飞速发展和它在工业控制领域中应用范围的日趋扩大,高电压IGBT(HVIGBT)器件和IGCT器件都扩大了它们的应用领域.两电平逆变器输出的电压仅有(一V、 V)两级。对于这种逆变器结构,人们通常是靠提高逆变器中的开关器件的开关频率来减少逆变器输出电流中的谐波成份的。但是在高电压、大功率的工业实际应用场合中,所采用的功率器件的开关频率必须限制在IKHz以下,即使采用的是HYIGBT或GICT器件。这是因为,随着器件开关频率的增高,开关器件损耗的速度也会随之以更快的速度增大。因此,在这种环境中,人们期望通过采用控制两电平逆变器的常规控制策略一一不断提高系统中开关器件的开关频率,来改善逆变器的输出性能,使得输出电流中的谐波成份得到减少是十分困难的,有时甚至是不可能实现的。这就要求人们通过研究和采用其它的控制方法来控制这种实用的工业系统 。

针对大功率逆变器中的开关器件速度低的缺点,A.Nabae等人于1980年提出了多电平逆变器概念,主要是指三电平逆变器。以三电平逆变器为例,逆变器的输出电压分为(一V、0、 V)三级。多电平逆变技术的出发点是通过对逆变器的主电路结构进行改进,使得所有逆变器的开关器件都工作在基频或者低频状态,以达到减小开关应力、改善逆变器输出波形的目的 。

三电平逆变器自从1980年由D.A.Nbaea等人提出之后,在高电压、大功率变频调速系统中得到了广泛的应用。三电平逆变器(或多电平逆变器)的结构不仅使系统对功率器件的耐压等级的要求有所降低,而且使得逆变器输出波形的谐波含量大为减少。随着高电压、大电流IGBT器件的出现,采用这种结构的逆变器的应用也就越来越广泛。目前,三电平逆变器己经成为了高电压、大功率逆变器的一个发展方向 。

三电平拓扑结构具有输出容量大、 输出电压高、电流谐波含量小等优点， 使得三电平结构在高压大功率 交 流 电 机 变 频 调 速 领 域 得 到 了 广 泛 的应用。为防止逆变器桥臂直通， 必须在同一桥臂互补的触发信号中加入死区 以保证同桥臂上开关管可靠关断后， 与之互补的开关管才能导通。但由于死区时间的引入，导致系统控制性能变差，输出电压与电流发生畸变， 特别是低速时可能会导致电动机发生机械谐振。为了克服上述缺点， 需要对死区进行补偿。研究中提出了一种应用在两电平逆变器装置中较好的死区补偿的方法， 将死区时间、 IGBT 开通和关断时间、 IGBT 及续流二极管的管压降等都考虑到。研究给出了一种基于 FPGA 的三电平逆变器死区补偿方法， 但没有考虑 IGBT 管压降及开关时间对死区补偿的影响。研究基于空间矢量调制，提出一种三电平死区补偿策略，但没有考虑到开关器件的导通压降。研究所给出的三电平死区补偿策略没有考虑功率器件的开关延时 。

电平逆变器属于电压型逆变器,它是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路。多电平逆变器的思想提出至今,经过多年的研究发展出现了许多电路拓扑,但归纳起来主要有三种拓扑结构:(1)中点钳位型(Neural-Point-elamped简称NPc)多电平逆变器或二极管钳位(Diod-eclmaPed)多电平逆变器,(2)电容钳位式(Flying-Capaeitor),(3)具有独立直流电压源的级联型逆变器(caseaded-InvertersWithSeparatedDesourees).近年来,从不同的应用领域研发出了多种基于多电平逆变电路的基本结构,但研究其拓扑结构理论特点的论述还很少。多电平逆变电路的核心问题是电平钳位(voltageclamPed)。除了电平钳位问题外,电路单元间的动、静态均压,简化开关控制逻辑,在相同电平数输出下减少使用的功率器件,功率能否双向流动等也是分析多电平电路必须要考虑的问题 。

三电平逆变器自产生以来很快就得到了广泛应用,改善它的输出波形一直是国内外学者研究的主要方向,而电压源型逆变器的输出特性与逆变器所采用器件的开关频率有关,其中脉宽调制PWM技术就可以改变开关频率获得很好的正弦输出波形,PWM调制技术输出开关频率恒定,输出的电流谐波小,限定的谐波电流频谱特性等优点,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。在近二十年中,人们对二电平逆变器研究出了多种WPM调制控制方案。PWM技术不仅适应于常规的两电平逆变器,对三电平而言,仍然行之有效。本文的重点内容是研究三电平逆变器的调制策略。目前,三电平逆变器的P翎控制技术概括起来主要有两类:一是基于开环控制的三电平逆变器WPM控制技术,其中应用广泛的有正弦SP翎、空间矢tSVP双开环控制等 。

基于开环控制的三电平逆变器PWM调制策略

由于开环PWM调制具有很多优点:开关频率恒定、限定的谐波频谱、优化的开关模式、实用化的直流环节等,可以同时实现变频变压反抑制谐波等作用,因此三电平逆变器使用开环控制的WPM调制策略比较普遍,如正弦SPWM、空间矢量SVPWM开环控制 。

正弦波PWM是最通俗易懂的一种调制方式,又称为相电压控制法,给定的标准正弦信号波U’和三角载波玲进行比较,在两波形相交时进行脉宽切换,经过正弦SwPM开环调制后,产生一定频率且具有一定脉宽的开关信号(S。、.bss。),再驱动三电平逆变器的开关器件,产生输出信号。该方法具有简单,直观等优点,此外,由于输出波形由方波改进为PWM波,减少了低次谐波,从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题,也降低了电动机的谐波损耗和噪声 。

和三电平逆变器的正弦SwPM调制方法不一样的是,空间矢量SvWPM(又叫磁链跟踪wPM)调制策略是从电机的角度出发,把逆变器和电动机视为一体,以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准,用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢t来跟踪基准磁链园,由跟踪结果决定逆变器的开关模式,形成P双波基于开环控制的三电平逆变器的空间矢量SPy烈控制器结构图。空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用 。

基于电流闭环的三电平逆变器WM控制结构

交流电机的控制性能主要取决于转矩或者电流的控制质量(在磁通恒定的条件下,为了满足电机控制良好的动态响应,并在极低转速下亦能平稳运转这一要求,经常采用电流的闭环控制,即基于电流闭环的三电平逆变器wPM控制策略,以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度,同时也一定程度上求得电流波形的改善。它具有的特点:控制方式简单、动态响应快、具有内在的电流限制能力以及电压利用率高。可以说它同时具有电压和电流控制型逆变器的优点。目前实现电流闭环PWM调制的方法很多,大致有滞环电流PWM控制、线性电流PWM控制、预测电流PWM控制几种 。

滞环电流控制器的主要任务是控制负载端的实际电流,让它能以最小的误差跟踪参考电流指令信号。设滞环比较器的环宽为h2。滞环控制方案是基于三电平滞环比较器的非线性、闭环控制方法。当输入到滞环比较器的信号超过了规定的滞环环宽时,直接产生变换器开关的动作信号。由于该控制器结构简单、算法简单、实现简单,特别重要的一点是它对负载参数的鲁棒性好,不需要知道参数的任何信息,因此,它是最常见、也是应用最为广泛的一种电流控制方法。滞环电流控制经常在逆变器、无功补偿装置等需要控制电流的场合中应用 。

三电平逆变器线性电流PWM控制器可以分离成误差补偿和PWM调制两大部分。在线性电流PWM控制器中,斜波比较器是最基本、最常见的一种控制结构。这种控制器采用的是线性、闭环控制方法 。

控制器中有3个独立的补偿电流误差的PI调节器,电流误差通过PI控制器产生电压控制信号。经wPM调制器处理后得到驱动开关动作的开关信号。在该方案中输出电流的脉动经反馈回到了输入端,并对开关的后续驱动信号产生直接的影响。PI调节器的比例参数凡的增大可以减小电流脉动,而积分参数石的改变能控制输出电流的低频特性。P份M调制算法可采用SPWM、SVPWM等调制方法。若采用的是SPWM方法,加入载波信号的斜率一定不能小于PI调节器的输出信号的斜率,这时开关频率即为恒定的载频 。

图1为中点钳位三电平逆变器的拓扑结构。

该拓扑结构包括两个串联的电容C₁，C₂，两电容之间的点称为中点Z，因此中点钳位型逆变器也被称作二极管钳位逆变器；每一相包含四组IGBT/Diode（绝缘栅门极晶闸管/二极管）T_x1、T_x2、T_x3和T_x4；两个钳位二极管D_x5和D_x6（x=a，b，和c）。

根据拓扑结构可以看出来，中点钳位三电平逆变器的一个很重要的问题就是：中点电压平衡问题。理想的情况下，直流电容C₁，C₂的电压均为E（E为直流电压源V_dc的1/2），但是流过中点Z的电流对电容充电或者放电，加之电容保持电压的能力有限，会导致电容C₁，C₂的电压发生变化。工况恶劣时，会导致上下两电容电压差过大，输出电压电流波形畸变，甚至损坏功率半导体器件 。

[1]安彬,黄晓峰,张炜,李纪欣.基于三电平逆变器的SVPWM控制算法研究[J].电子测试,2019(18):37-39.2100433B

为了解决传统三电平逆变器SVPWM(Space VectorPWM,SVPWM)算法计算过程复杂、总谐波含量较高的问题,提出一种改进的SVPWM算法。改进的SVPWM算法将三电平逆变器空间矢量图以四边形进行扇区划分,通过矢量转换计算基本电压矢量作用时间,根据开关状态变换原则设计开关序列。仿真结果表明,运用改进的SVPWM算法后三电平逆变器可以正常输出波形稳定的三相交流电压,并且扇区判断时间变短、总谐波含量降低。