基于交錯(cuò)并聯(lián)的Π型五電平逆變器電路的仿真研究

王 偉

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

目前，大功率多電平功率轉(zhuǎn)換是電力電子的熱門(mén)研究方向。隨著光伏電池側(cè)輸入電壓的升高以及對(duì)于逆變器的傳輸效率和功率密度的需求的不斷提升，近年來(lái)業(yè)界對(duì)于多電平逆變器的研究已經(jīng)從原來(lái)單一的三電平轉(zhuǎn)向五電平、七電平等更多電平數(shù)的拓?fù)?。同時(shí)，SiC功率器件性能的提升，為各種拓?fù)浜驼{(diào)制算法的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

二極管箝位型五電平是較為傳統(tǒng)的五電平拓?fù)洌渫負(fù)淙鐖D1所示。佘致廷等[1]介紹了二極管箝位型五電平的控制策略；高躍等[2]介紹了二極管箝位型五電平電容電壓平衡策略。

圖1 傳統(tǒng)二極管箝位型五電平拓?fù)?/p>

一些不同于以往的五電平拓?fù)渫瑯右鹆酥匾?。一?xiàng)專利中介紹了一種單向五電平拓?fù)鋄3]，如圖2所示。從結(jié)構(gòu)上看，它是某種意義上的三電平和二電平拓?fù)涞牟⒙?lián)。

二極管箝位型五電平有控制復(fù)雜、功率器件多和導(dǎo)通損耗大的缺點(diǎn)，而其他新型的五電平拓?fù)溆质芟抻趩蜗蛲負(fù)?，無(wú)法在三相并網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮其作用。因此，將視線轉(zhuǎn)向基于交錯(cuò)并聯(lián)的五電平拓?fù)涫呛侠淼摹?/p>

本文主要介紹了一種基于交錯(cuò)并聯(lián)的Π型五電平逆變器電路，包括它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)和仿真結(jié)果。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)包括開(kāi)關(guān)功率器件少、頻率高、輸出濾波器參數(shù)小等。

圖2 一種單向五電平拓?fù)?/p>

1 電路簡(jiǎn)析

1.1 Π型拓?fù)?/h3>

Π型五電平拓?fù)涫请p BUCK電路的一種變形，結(jié)合圖3和文獻(xiàn)[4]，其可以視為雙BUCK拓?fù)浜徒诲e(cuò)并聯(lián)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)五電平拓?fù)湎啾?，這種Π型拓?fù)錅p少了開(kāi)關(guān)器件（從8個(gè)減少至4個(gè)，替換為功率二極管）、降低了導(dǎo)通損耗、降低了系統(tǒng)復(fù)雜度、簡(jiǎn)化了控制。利用耦合電感的交錯(cuò)并聯(lián)，可使輸出電流的頻率上升為原來(lái)的2倍，而無(wú)源器件的取值可以降低，從而降低整體變換器的體積，實(shí)現(xiàn)功率密度的提升。

圖3 Π型五電平拓?fù)?/p>

1.2 電路狀態(tài)

Π型五電平拓?fù)涓鶕?jù)其開(kāi)關(guān)操作的不同，共可實(shí)現(xiàn)7種電路狀態(tài)，如表1所示。

V1即電路狀態(tài)1，如圖4所示。開(kāi)關(guān)管Q1和Q2閉合，Q3和Q4斷開(kāi)，使得b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓均為+2E，即Vb=Vc=+2E，那么a點(diǎn)電壓為+2E。同時(shí)，由于b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓相同，勵(lì)磁電流im不變。

表1 Π型五電平電路狀態(tài)

圖4 電路狀態(tài)1

V2即電路狀態(tài)2，如圖5所示。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2和Q3閉合，Q4斷開(kāi)，使得b點(diǎn)電壓為+2E，c點(diǎn)電壓為0，那么a點(diǎn)電壓為+E。同時(shí)，由于b點(diǎn)電壓高于c點(diǎn)，勵(lì)磁電流im增大。

圖5 電路狀態(tài)2

V3即電路狀態(tài)3，如圖6所示。開(kāi)關(guān)管Q2閉合，Q1、Q3和Q4斷開(kāi)，使得b點(diǎn)電壓為0，c點(diǎn)電壓為+2E，那么a點(diǎn)電壓為+E。同時(shí)，由于b點(diǎn)電壓低于c點(diǎn)，勵(lì)磁電流im減小。

V4即電路狀態(tài)4，如圖7所示。開(kāi)關(guān)管Q2和Q3閉合，Q1和Q4斷開(kāi)，使得b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓均為0，即Vb=Vc=0，那么a點(diǎn)電壓為0。同時(shí)，由于b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓相同，勵(lì)磁電流im保持不變。

圖6 電路狀態(tài)3

圖7 電路狀態(tài)4

V5即電路狀態(tài)5，如圖8所示。開(kāi)關(guān)管Q2和Q4閉合，Q1和Q3斷開(kāi)，使得b點(diǎn)電壓為0，c點(diǎn)電壓為-2E，那么a點(diǎn)電壓為-E。同時(shí)，由于b點(diǎn)電壓高于c點(diǎn)，勵(lì)磁電流im增大。

圖8 電路狀態(tài)5

V6即電路狀態(tài)6，如圖9所示。開(kāi)關(guān)管Q3閉合，Q1、Q2和Q4斷開(kāi)，使得b點(diǎn)電壓為-2E，c點(diǎn)電壓為0，那么a點(diǎn)電壓為+E。同時(shí)，由于b點(diǎn)電壓低于c點(diǎn)，勵(lì)磁電流im減小。

圖9 電路狀態(tài)6

V7即電路狀態(tài)7，如圖10所示。開(kāi)關(guān)管Q4閉合，Q1、Q2和Q3斷開(kāi)，使得b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓均為-2E，即Vb=Vc=-2E，那么a點(diǎn)電壓為-2E。同時(shí)，由于b點(diǎn)和c點(diǎn)的電壓相同，勵(lì)磁電流im不變。

圖10 電路狀態(tài)7

1.3 電路模態(tài)

如圖11所示，輸出電壓可以在+2E～-2E的范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)輸出電壓所在的范圍，將其分為4個(gè)部分，分別為：+2E～+E、+E～0、0～-E和-E～-2E。

圖11 電路模態(tài)

+2E～+E：存在V1、V2和V3三種狀態(tài)，而輸出電壓Vout=2E×DV1+E×DV2+E×DV3。值得注意的是，為了保持勵(lì)磁電流的穩(wěn)定，不引起偏磁，DV2和DV3保持一致。同理，以下的DV5和DV6也保持一致。

+E～0：存在V2、V3和V4三種狀態(tài)，而輸出電壓Vout=E×DV2+E×DV3+0×DV4。

0～-E：存在V4、V5和V6三種狀態(tài)，而輸出電壓Vout=0×DV4+(-E)×DV5+(-E)×DV6。

-E～-2E：存在V5、V6和V7三種狀態(tài)，而輸出電壓Vout=(-E)×DV5+(-E)×DV6+(-2E)×DV7。

2 仿真

2.1 調(diào)制方法

如圖12所示，4個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）獲得。其中，Q1的載波處于0～+1之間，Q2的載波處于-1～0之間。采用交錯(cuò)的方法，Q3和Q4的載波分別與Q1和Q2存在180°的相位差。同時(shí)，由于橋臂方向相反，Q3和 Q4的調(diào)制波與載波比較時(shí)也要相反，即調(diào)制波高于載波時(shí)，產(chǎn)生高電平，調(diào)制波低于載波時(shí)，產(chǎn)生低電平。

圖12 調(diào)制信號(hào)

2.2 仿真結(jié)果

仿真電路如圖13所示，主要包括主電路、信號(hào)調(diào)制、信號(hào)顯示和濾波輸出4個(gè)部分。

圖14顯示了電路各處在這次工作狀態(tài)下的電壓情況，從上至下依次為b點(diǎn)、c點(diǎn)、a點(diǎn)和負(fù)載的電壓。從圖14可以發(fā)現(xiàn)，兩橋臂輸出經(jīng)過(guò)耦合電感后，頻率增大了一倍，因此采用較小的無(wú)源器件就可以實(shí)現(xiàn)較好的濾波效果。電路輸出情況如圖15所示，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

圖13 仿真電路

圖14 各處電壓波形

圖15 輸出電壓電流波形及其電流失真

3 結(jié)論

本文研究了基于交錯(cuò)并聯(lián)的Π型五電平逆變器，與傳統(tǒng)五電平、新型單向五電平進(jìn)行比較，其優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。理論分析和仿真結(jié)果表明，該拓?fù)湓赟PWM下具有良好的諧波特性，輸出波形質(zhì)量好，而且需要的無(wú)源器件的取值相對(duì)較小。因此，該拓?fù)溥m合應(yīng)用于大功率中壓三相功率變換場(chǎng)合。