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研究方向。隨著光伏電池側(cè)輸入電壓的升高以及對于逆變器的傳輸效率和功率密度的需求的不斷提升，近年來業(yè)界對于多電平逆變器的研究已經(jīng)從原來單一的三電平轉(zhuǎn)向五電平、七電平等更多電平數(shù)的拓?fù)洹Ｍ瑫r(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鹆酥匾暋Ｒ豁?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)洌瑹o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)湎啾龋@種Π型拓?fù)錅p少了開關(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的2倍，而無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。開關(guān)管Q1和Q2閉合，Q3和Q4斷開，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。開關(guān)管Q1、Q2和Q3閉合，Q4斷開，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。開關(guān)管Q2閉合，Q1、Q3和Q4斷開，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。開關(guān)管Q2和Q3閉合，Q1和Q4斷開，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。開關(guān)管Q2和Q4閉合，Q1和Q3斷開，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。開關(guān)管Q3閉合，Q1、Q2和Q4斷開，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。開關(guān)管Q4閉合，Q1、Q2和Q3斷開，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)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號采用正弦脈寬調(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

2.2 仿真結(jié)果

仿真電路如圖13所示，主要包括主電路、信號調(diào)制、信號顯示和濾波輸出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)過耦合電感后，頻率增大了一倍，因此采用較小的無源器件就可以實(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)勢相對明顯。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，而且需要的無源器件的取值相對較小。因此，該拓?fù)溥m合應(yīng)用于大功率中壓三相功率變換場合。