基于RB-IGBT的T型逆變器中點電壓控制技術(shù)仿真研究

王全東，李方正

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072)

1 T型逆變器概述

T型逆變器是一種改進型的中點鉗位型(NPC)三電平拓撲，如圖1所示，它利用一個雙向開關(guān)來實現(xiàn)中性點對地鉗位的功能［1］。與應(yīng)用較多的二極管NPC拓撲相比，T型逆變器在開關(guān)器件、效率和損耗分布等方面具有明顯優(yōu)勢，未來應(yīng)用前景廣泛。

圖1 基于RB-IGBT的單相T型逆變器

RB-IGBT是一種具有反向耐壓能力的新型IGBT器件，其作用可以等同于普通IGBT串聯(lián)一個二極管，但是它的導(dǎo)通壓降比這種組合小［2～4］。兩個RB-IGBT反并聯(lián)即為一個可控的雙向開關(guān)，可有效降低T型逆變器的導(dǎo)通損耗，進一步提升T型逆變器的效率。

與二極管鉗位型三電平類似，中點電流對電容的充放電，同樣導(dǎo)致T型逆變器也存在中點電壓不平衡問題，嚴重制約了其工程應(yīng)用。

2 T型逆變器工作模態(tài)分析

假設(shè)負載為阻感負載，逆變器輸出電壓u(t)、電流i(t)及開關(guān)管驅(qū)動信號如圖2所示，根據(jù)電壓電流的相位關(guān)系，一個周期存在八種工作模態(tài)，相應(yīng)的等效電路如圖3所示。

八種工作模態(tài)中輸出電壓只有P、O、N三種狀態(tài)，則三相T型三電平逆變器的工作狀態(tài)可有33=27種。

圖2 輸出電壓電流及驅(qū)動波形示意圖

3 中點電位不平衡的成因

采用SVPWM控制時，三相T型逆變器可供選擇的開關(guān)矢量有27個，遠多于兩電平，因此輸出的正弦波形更佳。這些開關(guān)矢量按其幅值可以分為四類，如表1所示。

(1)長矢量對中點電位影響(以PNN為例)的等效電路如圖4(a)所示，直流電壓中點和負載未形成回路，此時流過中點電流為零，若不考慮C1、C2具體參數(shù)的差異，則兩電容的電壓相等且保持不變，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

圖3 各模態(tài)等效電路圖

表1 矢量分類表

(2)中矢量對中點電位影響(以PON為例)的等效電路如圖4(b)所示。若io＞0時，電容C2放電，UC2減小，UC1增加，中點電位下降;反之中點電位上升。所以此時中點電流io流向不同時對中點電位的影響不同。

圖4 不同開關(guān)矢量下的中點電流

(3)小矢量對中點電位影響(正小矢量以PPO、負小矢量以O(shè)ON為例)的等效電路如圖4(c)、(d)所示。開關(guān)狀態(tài)為PPO時，io=ic;開關(guān)狀態(tài)為ONN時，中點電流io=-ic。由此可見每對正負小矢量對中點電位的影響正好相反。

(4)零矢量對中點電位的影響(以O(shè)OO為例)如圖4(e)所示，此時雖然電容中點對各相均有電流，但其電流和io=0，不會對電容電壓產(chǎn)生影響。

由以上分析可知，造成T型逆變器中點電位偏移的主要原因是某一時刻存在中點電流且不同開關(guān)矢量作用時流入和流出中點的電流大小和時間長短不同。該電流對電容進行充電或放電，造成中點電壓不停地變化。

4 中點電壓平衡控制策略

中矢量形成的中點電流會在一個線電壓周期內(nèi)自動平衡中點電位，小矢量對中點電位的影響最大［5］。但小矢量都是成對的，而且這兩種開關(guān)狀態(tài)對中點電位的影響剛好相反。由此可以通過檢測直流側(cè)兩個電容的電壓差判斷中點電位的偏移，再根據(jù)此時的中點電流流向，合理調(diào)整正負小矢量脈沖的作用時間，從而抑制中點電壓的波動。

在開關(guān)矢量的時間分配中引入矢量時間調(diào)節(jié)變量s(0＜s＜1)，以此來對每個開關(guān)序列內(nèi)成對的小矢量持續(xù)時間進行調(diào)整。假設(shè)受控小矢量的初始作用時間為Tx，則當檢測到C1、C2電壓差值超過h時，負小矢量作用時間調(diào)整為sTx，相應(yīng)的正小矢量的作用時間為(1-s)Tx。具體的控制規(guī)律是:

式中，h為滯環(huán)帶寬。在保證中點電壓穩(wěn)定精度的同時h值不宜太小，否則會使得s值變化過于頻繁，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 仿真驗證

搭建的仿真電路如圖5所示，由于MATLAB/Simulink模塊中尚無RB-IGBT器件，仿真中的RB-IGBT使用IGBT和二極管串聯(lián)等效。

圖5 SVPWM控制T型逆變器系統(tǒng)仿真模型

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

在如表2所示參數(shù)下中點電壓和濾波前后的AB線電壓仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明在沒有中點電壓控制時，中點電位波動明顯，仿真中根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)來調(diào)整矢量作用時間的方法可以有效控制T型逆變器的中點電壓，從而顯著降低了輸出電壓的高次諧波。

圖6 中點電壓及AB線電壓波形

6 結(jié)論

中點電流對電容C1、C2不停地充放電，這是T型逆變器采用空間矢量控制時中點電位不平衡的主要原因。根據(jù)正負小矢量對中點電位的影響正好相反的分析結(jié)果，本文提出了根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)來調(diào)整開關(guān)序列中小矢量作用時間的算法。仿真結(jié)果表明該算法切實可行，T型逆變器的中點電壓得到了有效抑制。

［1］馬 琳，孫 凱，Remus Teodorescu，等.高效率中點鉗位型光伏逆變器拓撲比較［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(2):108-114.

［2］鄒慶玉.逆阻型IGBT的三相T型逆變控制系統(tǒng)分析設(shè)計［D］.杭州:浙江大學(xué)，2012.

［3］Kazuo Shimoyama，Manabu Takei，Yasuhisa Souma，et al.A New Isolation Technique for Reverse Blocking IGBT with Ion Implantation and Laser Annealing to Tapered Chip Edge Sidewalls［C］.18thInternational Symposium on Power Semiconductor Devices ＆IC’s，2006:156-159.

［4］肖華鋒，謝少軍.采用逆阻型IGBT的零電流開關(guān)PWM電流源型半橋變換器［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27(31):110-114.

［5］胡慧慧.基于空間矢量控制的三電平逆變器的研究［D］.濟南:中國石油大學(xué)(華東)，2008.