中點箝位三級半橋逆變器

陳賢明

（國網電力科學研究院，江蘇南京210003）

中點箝位三級半橋逆變器

陳賢明

（國網電力科學研究院，江蘇南京210003）

摘要：提出了一種用單相的中點箝位三級逆變器的半橋來實現逆變功能的方案。研究分析了中點箝位三級半橋逆變器的工作原理。仿真實例證明方案是可行的。

關鍵詞：中點箝位；三級逆變器；半橋；單周控制；仿真

1　引言

為了有效抑制日益惡化的氣候變化，也為了經濟的可持續發展，世界各國都很重視節能減排工作。除了工業部門大量消耗電能外，各種家用電器也大量消耗電能，因此也有節能的潛力。家用電器大多采用單相電源。現在家用空調、電冰箱等己采用變頻技術，需要用到單相橋整流器和單相橋逆變器，但過去它們常用二極管和晶閘管構成，其缺點是會產生電流諧波并消耗無功，引起電網污染。比較合理的辦法是采用具有功率因數校正（PFC）功能的整流器，亦即進線電流正弦、功率因數為1的整流器，對逆變器也要求輸出正弦電流，并網情況下其功率因數也為1，這樣就省去了濾波器和無功補償的要求。此外，在小型的再生能源如風能和光伏發電中，也會用到單相的逆變器，文獻［1］中己對用單相整流／逆變H橋來解決上述問題進行了詳細分析。本文對其中的單相H橋逆變器提出了另一種解決方法，即利用中性點箝位NPC的三級三相逆變器的一個相（或稱半橋）來實現單相逆變功能，使其輸出正弦電流，且在并網時功率因數為1。

2　中點箝位三級半橋逆變器的工作原理

圖1　中點箝位三級半橋逆變器電路圖

圖1為中點箝位三級半橋逆變器的電路圖，它由電力電子全控型開關元件（以下簡稱為T管）和其反并聯的二極管D組成，共有4組。1，2號組件組成上半臂，導通時a點輸出”＋”電平。3，4號組件組成下半臂，導通時a點輸出“－”電平。當2，3號組件導通時a點輸出“0”電平。Dp，Dn是上、下中點箝位二極管。逆變器輸出經電感L接到負荷或電網Ua，電網零線接至直流側的中點0處。顯然，不用脈寬調制PWM控制時a點輸出的是矩形波。為使其產生正弦波電流，可以用正弦波脈寬調制SPWM實現。這里在電壓正半波時可由T1，T2導通和T2，T3導通構成正向的單極調制波，由T4，T3導通和T2，T3導通構成負向的單極形調制波。

圖2　并網的中點箝位三級半橋逆變器仿真結構圖

圖3　 NPC－3LI模塊展開圖

圖4　驅動模塊Drv－Sgl的展開圖

圖5　 T管的驅動信號

3　中點箝位三級半橋逆變器仿真

圖2為并網的中點箝位三級半橋逆變器的Matlab／Simulink仿真［2，3，4］結構圖，其中NPC－3LI模塊為中點箝位三級半橋逆變器，其電路圖與圖1相同，其模塊展開圖如圖3所示。模塊Drv－Sgl是逆變器T管的驅動模塊，如圖4所示。這里同步信號Usa取自單相電網電壓，在正半波時，T1作PWM控制，T2恒導通。在功率因數為1時，由于有電感L，當PWM由”1”變”0”時，電流導通途徑由＋→T1，T2→a→L→Ua→0轉變為續流途徑0→Dp，T2→a，L→Ua→0，在Usa負半波時T3恒導通，T4作PWM控制，電流由a點經T3，T4流向”－”端，當PWM變“0”時，經T3，Dn而續流。圖4為驅動模塊Drv－Sgl的展開圖，其中的ga是PWM的控制信號，它是由圖2中的單周控制［5］模塊OCCa產生的。圖5是T管的驅動信號，這里T1，T4管作PWM控制，其開關損耗遠比恒導通的T2，T3管大，因此發熱利害。為使各T管發熱均勻，也應對T2，T3作PWM控制，使T1，T2恒導通，此時為能續流就要用中點活箝位［6］的技術，見附錄內容。圖6是OCCa模塊的展開示意圖，它輸入的被控信號是逆變器輸出的電流ia，參考信號Refa采用的是和電網電壓Ua成正比的信號，Refa的大小受圖2中的Ref控制。ia經積分器1／S積分后，經開關Switch進入比較器compa中比較，要讓OCCa中的比較器compa正確比較，交流的ia的積分值和Refa值均需用絕對值，圖中的開關Switch用于積分器1／S清零用。注意這里的逆變器輸出電流ia要跟隨其參考信號Refa亦即電網電壓Ua成正比變化，這樣就能保證功率因數接近1。圖2中還有一些用于電壓、電流的測量單元和若干的示波器Sc ope，用于觀察仿真結果。

圖7　中點箝位三級半橋逆變器仿真結果

圖6　單周控制OCCa模塊的展開

4　中點箝位三級半橋逆變器仿真實例

假定半橋直流側E1＝E2＝250V，串聯電感L＝5 mH，二極管D管壓降為0．8V，全控型開關T管為IGBT，管壓降為1V，通態電阻Ron＝0．001Ω，吸收電路電阻Rs＝100kΩ，單周控制用的時鐘頻率clk＝1kHz，仿真分以下兩種情況：（1）逆變器輸出經電感L接到R＝5Ω和0．1mH的阻感負荷。［結果見圖7（A）至7（F）］

（2）逆變器輸出經電感L接至Ua＝220V單相電網。［結果見圖7（G）至7（I）］。圖7為仿真結果波形，圖7（A）為逆變器的負荷電流i和電壓Ua′，都接近正弦，由于負荷的電感較小，功率因數接近1。圖7（B）是逆變器輸出端對直流中點輸出的單極性矩形調制波形圖。圖7（C）為電感L上的電壓降，它保證了矩形調制波至正弦波的過渡。

圖7（D）表示了OCCa單元的比較器兩個輸入，ia的積分值和參考值Refa波形表明比較器工作正確。圖7（E）、（F）為直流側上下電流id＋，id＿的工作情況。

圖7（G）為逆變器并網時電網電壓Ua和電流i波形圖，可看出功率因數接近1，但電流i呈矩形，有諧波，這也可從圖7（I）的直流側上部電流id＋看出，圖7（H）為逆變器并網時串聯電感L上的電壓波形。注意并網下其它點的波形和帶阻感負荷相同，這里就不一一列出了。

5　結束語

從仿真結果看，中點箝位三級半橋逆變器的實現是可能的，比起單相H橋逆變器來說，直流側要用雙電源，當然，也可用單電源和串聯電容器分壓來滿足。此外，由圖5知T2，T3也有可能用半控的晶閘管代替，以降低成本。總之，本方案不失為單相逆變提供了另一種可能性。

參考文獻：

［1］陳賢明，呂宏水，劉國華．單相整流／逆變H橋剖析及仿真研究［A］．第二屆全國電能質量學術會議論文集［C］．長沙，2011．141－152．

［2］邱曉林，等．基于Matlab的動態模型與系統仿真工具—Simulink 3．0／4．X［M］．西安：西安交通大學出版社，2003．

［3］王忠禮，段慧達，高玉峰．MATLAB應用技術—在電氣工程與自動化專業中的應用［M］．北京：清華大學出版社，2007．

［4］吳天明，謝小竹，彭彬．MATLAB電力系統設計與分析［M］．北京：國防工業出版社，2004．

［5］K．Smedley，S．Cuk．One－cyclecontrolofswitchingconverters ［A］．The22nd Annual IEEE Specialist Conference Record on Power Electronics［C］．Cambridge，1991．888－896．

［6］T．Bruckner，et al．The active NPC converter and its loss balancingcontrol［A］．IEEETrans，52（3），2005．855－868．

附錄：中點活箝位ANPC（Active Neutral－Point Clamped）三級逆變器［6］

在正文圖1的上、下箝位二極管位置各反并聯Tp，Tn管如附圖1所示。通常T1，Tn同步開通，T1，T3互補開通，T4，Tp同步開通，T4，T2互補開通。當T1恒導通，T2作PWM控制時，PWM為”1”時a點輸出”＋”電平，PWM變”0”時，電流途徑由＋→T1，T2→a→L→Ua→0轉變為續流途徑0→Tn→D3→a，L→Ua→0，Tp，Tn能保證T2，T3作P WM控制下續流成功，有利于T管損耗和發熱均勻，驅動信號只要把圖4驅動模塊中的T1（Tn），T2互換為T3，T4（Tp）就可以了。在實際應用中可使一個工頻周期按T1，T4作PWM控制，下一工頻周期按T2，T3作PWM控制就可以了。附圖2（A）是生成周波交替控制信號Q，！Q的電路。附圖2（B）為其相關點波形示意圖。

附圖1　 ANPC半橋逆變器

附圖2　 PWM交替控制信號的生成和相關點波形示意圖

中圖分類號：TM464＋．31

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0031—04

收稿日期：2014－10－20

Neutral point clamped three－level half－bridge inverter

CHEN Xian－ming
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

Abstract：The scheme of realizing the inverter functions with the single－phase half bridge of the neutral－point clamped three－level inverter is put forward．The working principles of the neutral point clamped three－level halfbridge inverter are studied．The scheme is proved to be feasible by the practical simulation experiments．

Key words：neutral－point clamped（NPC）；three－level inverter；half－bridge；one－cycle control（OCC）；simulation