（电工理论与新技术专业论文）east快控电源并联半桥三电平逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t y a ns h i c h a o ( e l e c t r i c a lt h e o r ya n dn e w t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i uz h e n g z h i e a s ts u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k ，an a t i o n a lm a g e - p r o j e c to fs c i e n c er e s e a r c h o fc h i n a ，i sav e r yi m p o r t a n tf u s i o ne x p e r i m e n tf a c i l i t y i no r d e rt or e a l i z ep l a s m a s t a b i l i z a t i o ni nl a r g ee l o n g a t em o d e l ，t od e s i g na n dm a n u f a c t u r eav e r t i c a lp o s i t i o n f a s tc o n t r o lp o w e rs u p p l y ( f c p s ) w i t hg o o dc o n t r o l l i n g c a p a b i l i t yi sv e r yn e c e s s a r y t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe a s tf c p sa r eh i 曲p o w e ra n df a s t d y n a m i c r e s p o n s e s ot h es t u d i e so ft h ef c p sm u s tb eb a s e do nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d m a t u r e e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，f o re x a m p l et h em u l t i - l e v e lt e c h n o l o g y ，t h e p h a s e s h i f t e dp w mt e c h n o l o g y ，t h ep a r a l l e lc o n n e c t i o no fi n v e r t e r s ，a n dt h e m a n u f a c t u r eo fh i g h p o w e rs y s t e me t c t h i si sa c h a l l e n g eb o t hi nt h ea s p e c to f t h e o r ya n de n g i n e e r i n g a h i g h p o w e rc o n v e r t e rs y s t e mc a nb ec l a s s i f i e da sc u r r e n t s o u r c es y s t e mo r v o l t a g e _ s o u r c es y s t e ma c c o r d i n gt oi t st o p o l o g y t h ec o r r e s p o n d i n gf c p ss c h e m e s a r ep r e s e n t e da n dt h ed e t a i l e da n a l y z e ，e x p e r i m e n t ，a n dd e s i g na r ec a r r i e do u ti nt h e d i s s e r t a t i o n t h em a i nc i r c u i ti saa c d c a cf r a m e w o r k , i n c l u d i n gt h em u l t i p h a s ed i o d e r e c t i f i e r sa n dt h ec a r r i e rp h a s e s h i f t e dh a l f - b r i d g et h r e e l e v e li n v e r t e r s t h er e c t i f i e r p r o v i d e st h ei n v a r i a b l ed cv o l t a g e ，t h e nt h r o u g ht h ef e e d b a c ko fi n v e r t e ro u t p u t c u r r e n t ，t h ea i mi sa c h i e v e d t h em a i nw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： 1 p w ma n di t sp h a s e s h i f t e dt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d 2 t h ew o r km o d e sa n dt h ed cv o l t a g ei m b a l a n c eo ft h r e e l e v e li n v e r t e ra r e a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t hhf u l l b r i d g e 3 c i r c u m f l u e n c ei n p a r a l l e li n v e r t e r si ss t u d i e d ，s p e c i a l l yi nt h em o d eo f p h a s e - s h i f t e dp a r a l l e l - - c o n n e c t i o n ；c u r r e n t e q u a lc a p a b i l i t y b e t w e e n h a l f - b r i d g ea n df u l l b r i d g e b a s e do nf e e d b a c k o f o u t p u t c u r r e n ta r e c o m p a r e d t h es t u d yo f p a r a l l e l i n gh a l f - b r i d g e1 1 1 r e e - l e v e l i f l v e r t c ro f f a s tc o r l t r o ip o w e rs u p p l yo f e a s ta b s t r a c t 4 t h en e x ts c h e m eo fv o l t a g ef o l l o w i n gi sd i s c u s s e ds i m p l y t h ec o m p a r i s o n s a r em a d eb e t w e e ni n d u c t o r - c u r r e n tf e e d b a c ka n d c a p a c i t o r - c u r r e n tf e e d b a c k 5 t h r e e - l e v e lp h a s e - s h i f t e dp w mw a v ec r e a t e db yd s pi ss t u d i e d 6 t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo fd s pa r ef i n i s h e d 7 w i t h s u p p o r to ft h ef a c t o r y , f c p si sf i x e d ，d e b u g g e d i naw o r d ，t h es t u d i e so ff c p ss c h e m e sa r ec a r r i e do u ti nt h ed i s s e r t a t i o n w i t ha v i e wt or e a l i z et h ef c p ss y s t e m ，t h ea d v a n c e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fp o w e r e l e c t r o n i c sa r ea p p l i e d f o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n gs t u d i e sa n dt h ed e v e l o p m e n to f m o d e mp o w e re l e c t r o n i c s ，t h ed i s s e r t a t i o ni sm a y b es o m er e f e r e n c e s k e y w o r d ：e a s tf c p s ( f a s tc o n t r o lp o w e rs y s t e m ) ；p h a s e - - s h i f t e dp w m ；t h r e e - l e v e l ； p a r a l l e li n v e r t e r ；d s p 声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归属于培养单位。 本人签名：勉篷缒e tn ：呈! 丑：笸：! 第一章引言 1 1e a s t 电源系统 第一章引言 e a s t 是先进超导托卡马克实验装置( e x p e r i m e n t a la d v a n c e d s u p e r c o n d u c t i n gt o k m a k ) j 的英文缩写。是一个能够产生大拉长非圆截面等离子 体位形的全超导托卡马克，目标在于探索在超导托卡马克上实现稳态运行以及在 稳态运行条件下改善约束条件，为未来稳态、先进的聚变反应堆奠定物理和工程 技术基础。 e a s t 电源系统是e a s t 装置一个重要子系统。它担负着向试验装置提供能 量传输、功率转换、运行控制等重要任务。e a s t 电源系统包括极向场电源、纵 场电源和快控电源系统。 1 1 1e a s t 极向场电源系统 极向场电源为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位 置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。对于装置运行 的性能与安全，物理实验的成败与效率，有着至关重要的作用。极向场电源系统 由1 2 套电源组成。每套电源主要由1 0 k v 交流电网及真空开关网路、交流变压 器、可控整流器、可控硅开关、失超和短路的后备保护开关，以及相应的控制、 测量、保护、控制驱动等组成。整流器单元由两台通过环流电抗器反并联连接 的晶闸管变流器、两台环流电抗器、一台旁通堆及整流器控制单元等组成。两台 变流器的作用是向超导线圈提供额定士1 5 k a 双向直流大电流，旁通堆起续流作 用。整流单元如图1 1 。 图l 一1e a s t 极向场电源 e a s t 快控l 乜源并联半桥三电平逆变器的研究 1 1 2e a s t 纵场电源系统 纵场电源是e a s t 纵场超导磁体的励磁电源，它使e a s t 纵场超导磁体在等 离子体中心产生稳定的、低波纹度的最大为3 5 t 的纵向磁场。根据总长超导磁 体通流要求，正常情况下是工作在恒定大电流状态，纵场电源应设计为长期稳定 的运行工作方式，低电压、大电流并能够长期可靠稳定运行是纵场电源的运行特 点，同时电流励磁上升或下降速度在允许范围内可调、励磁电流终值可任意设定 是纵场电源设计的控制目标。主电路如图1 2 ，是由两组带平衡电抗器的双反星 型可控硅整流桥电路并联组成的，通过改变可控硅的触发角来控制纵场线圈电流 的上升、下降或恒定，长时间运行于功率因数很低的状态。 山凼 1 1 3e a s t 快控电源系统【1 】 图1 2 e a s t 纵场电源 e a s t 等离子体垂直位移快速控制电源( 简称：e a s t 快控电源) 与真空室 内的一组主动控制线圈组成等离子体垂直位移控制的主动控制。同时，与装置的 被动反馈导体一起构成等离子体垂直位移控制系统。其物理目标是抑制等离子体 固有的，特别是在大拉长位形下的垂直不稳定性，控制等离子体在垂直方向的快 速漂移，实现等离子体在垂直方向的平衡与定位。根据托克马克装置等离子体垂 直不稳定性理论及其物理设计，e a s t 对快控电源具有较高的技术性能：高功率 输出，快速电流跟踪，四象限运行，并具有高度的工程可靠性( 完善的自动保护) ， 灵活性与可扩展性( 容量倍增) 。 第章引言 系统组成主要有：高压断路器，整流变压器，a c d c 整流器，d c a c 逆变器， 滤波与钳位，均流与保护，电流引线，负载，以及监测、控制、诊断与保护子系 统。其系统框图如图1 - 3 所示。快控电源系统采用了高功率电力电子与电源技术 领域的先进技术：模块化技术，p w m 调制技术，载波相移多重化技术，并联均 流技术，快速电流跟踪控制技术，冗余技术。采用高功率全控器件的p w m 调制 模式与晶闸管变流技术相比使电路的控制性能大为改善，这也是快控电源相对于 极向场电源和纵场电源的一个突出的优点。 l 钾 ifi 本 玮划略l 划 l l ill职l 1 2 现代电力电子技术发展 图1 3e a s t 快控电源 电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，其中以电力 电子器件的制造技术为核心技术。电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工 程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制 理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，电力电子 技术逐渐发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。 当代许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的转换与 控制有关。现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理， 特别是能够实现大功率电能的频率转换，从而为多项高新技术的发展提供了有力 的支持。电力电子技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料 消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影 响。 1 2 1 电力电子器件的发展【2 3 】 从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来场电力电子技术 e a s t 快控电源并联半桥三电平逆变器的研究 的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价 值的2 0 3 0 ，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分 重要的作用。 一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状 态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时， 具有短的开、关时间，能承受高的d i d t 和d v d t ，以及具有全控功能。 自从5 0 年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上 述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。6 0 年代后期， 可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到l k h z 以 上。7 0 年代中期，高功率晶体管和功率m o s f e t 问世，功率器件实现了场控 功能，打开了高频应用的大门。8 0 年代，绝缘栅门控双极型晶体管( i g b t ) 问 世，它综合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功能。 1 9 5 7 年晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取 代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁 道电气机车、钢铁工业( 轧钢用电气传动、感应加热等) 、电力工业( 直流输电、 无功补偿等) 的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和 基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的 控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件对晶闸管电路的 控制方式主要是相位控制方式，晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。 7 0 年代后期，出现全控型器件，例如，门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力双 极型晶体管( b j t ) 和电力场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 。全控型器件的特点 是，通过对门极( 基极、栅极) 的控制既可使其开通又可使其关断，开关速度普 遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力电子技术的 面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。和晶闸管电路的相位 控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制 ( p w m ) 方式。p w m 控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它 在逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用。它使电路的控制性能大 为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远 4 第牵引言 的j 影向。 g t o 的缺点也较为明显，主要为：一是驱动为电流型驱动方式，关断增益 较小，门极反向关断电流较大；二是为限制d v d t 及关断损耗需设置专门的缓冲 电路，电路元器件要求高、保护电路庞杂、成本昂贵。i g c t 晶闸管是一种新型 的大功率器件，与常规g t o 晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如，不用 缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少等。g t o 的关断能力与其门极驱动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率较高 时，g t o 则具有较高的关断能力。一个4 5 k v 4 k a 的i g c t 与一个4 5 k v 4 k a 的 g t o 的硅片尺寸类似，可是它能在高于6 k a 的情况下不用缓冲电路加以关断， 它的门极关断电流的上升率高达6 k a g s 。对于开通特性，门极开通电流上升率 也非常重要，可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。 i g b t 是m o s f e t 和b j t 的复合。它把m o s f e t 的驱动功率小、开关速度 快的优点和b j t 通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使 之成为现代电力电子技术的主导器件。1 9 9 6 年日本三菱和日立公司分别研制成 功3 3 k v 1 2 k a 巨大容量的i g b t 模块。它们与常规的g t o 相比，开关时间缩 短了2 0 ，栅极驱动功率仅为g t o 的1 1 0 0 0 。1 9 9 7 年富士电机研制成功 l k a 2 5 k v 平板型i g b t ，由于集电、发射结采用了与g t o 类似的平板压接结构， 采用更高效的芯片两端散热方式。特别有意义的是，避免了大电流i g b t 模块内 部大量的电极引出线，提高了可靠性和减小了引线电感，缺点是芯片面积利用率 下降。所以这种平板压接结构的高压大电流i g b t 模块也可望成为高功率高电压 变流器的优选功率器件。 新型大功率i g b t 模块一电子注入增强栅晶体管i e g t ( i n j e c t i o ne n h a n c e d g a t et r a n g i s t o r ) 。近年来，：1 本东芝公司开发了i e g t 。i e g t 兼有i g b t 和g t o 两青的某廿鬯优点：低的饱和压降，宽的安全工作区( 吸收网路容鞋仪为g t o 的 1 1 0 先右) ，低的栅极驱动功率( 比g t o 低2 个数量级) 和较高的i + ：作频率， 有较i 苗v , j 可靠性。目河该器件已达到4 5 k v 门k a 的水平。 m o s 控制品闸管( m c t ) 和集成门极换流晶闸管( i g c t ) 都是m o s f e t 和g t o 的复合，它们也综合了m o s f e t 和g t o 两种器件的优点。 i g b t 是目前发展最快而且很有前途的一种混合型器件。现代电力电子全控 e a s t 伙控电源并联半桥三电平逆变器的研究 器件在目前基础上将有以下进一步的发展： 1 ) 更大规模集成化。几乎所有全控器件都由许多细胞管子并联而成，也即一 个器件是由许多子器件集成。随着微电子制造技术和工艺的不断发展，电力电子 功率器件也必然在等级和容量上进一步获得提高。 2 ) 高频化。从高电压大电流的g t o 到高频率多功能的s i t ，其工作频率己从 数千赫到兆赫，这标志着电力电子进入高频化时代。当然，在进一步提高器件开 关速度的同时，对器件的耐d v d t 、d i d t 能力有了更苛刻的要求，对开关损耗也 更加关注。 3 ) 智能。随着功率集成电路的发展，功率器件与驱动电路j 控制电路以及保 护电路被紧密集成，强电和弱电结合，动力与信息统一，使其成为机和电的关键 接口和机电一体化的基础部件。可以预料，p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t 功率集 成电路) 的发展和应用将使电力电子技术进入智能化时代并实现第二次电子革 命。 4 ) 多功能化。现代电力电子器件的品种增多、功能扩大、使用范围拓宽，不但具 有开关功能，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算功能，因而使的电力 电子器件多功能化。 1 2 2 变流电路和控制技术【4 】 变流电路的基本功能是使交流和直流电能之间进行相互转换，而其基本形式 和控制原理却随着电力电子器件的更新而发展。相控电路适用于s c r ，p w m 电 路( 如d c - - d c 、d c - - a c ) 和谐振电路( 如负载谐振电路、谐振开关电路) 适用于 自关断器件。上述电路会逐步完善、改进，并为其他复杂电路结构的提出提供基 本电路单元。同时，变流电路在减少体积和重量、改进效率、提高精度、增加快 速性以及增大电压、电流、频率的控制范围等方面将会有较大的进展。 值得注意的是，随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许 多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是 通过各种形式对其进行变化，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、 稳定度及变化方式因用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、电弧焊电源、电 动机变频调速器、加热电源、化工电源、汽车电源、绿色照明电源、不间断电源、 医用电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始 6 第一章引言 电能进行变换后得到的。 整流和逆变电路是两种最基本的电能变换电路，而特别对于p w m 控制技术 而言，整流和逆变往往可以采用完全相同的电路拓扑，其工作原理也是基本相通 的，因此对逆变技术的研究一直就是电力电子学科的主要内容之一。 在许多大功率的应用场合，往往单台逆变器无法提供足够容量或电压、电流 等级，那么逆变器多重化技术就成为较好的解决方案之一。多重化的基本原理是， 把两个以上完全相同或基本相同的逆变器输出波形，按一定的相位差叠加起来， 使它们的低次谐波相位相差18 0 0 而相互抵消，以得到谐波含量尽可能小的基波 阶梯波。此法最早是由a k e r n i c k 等于1 9 6 2 年提出。对于不同的电路形式和控 制模式，多重化的具体应用也不尽相同：电压型逆变器多用串联叠加，而电流型 逆变器多用并联叠加；低频方波逆变器多采用依次错开相同的相位角的方式进行 等幅叠加或变幅叠加，而高频p w m 逆变器多用载波相移技术进行叠加。通过多 重化技术的实施，一方面获得了更大参数等级的组合逆变器，另一方面能够大大 削弱输出电压或电流中的谐波含量，对滤波器件和变压器的设计与选择非常有 利。 先进的控制技术对改进变流电路的效率和性能是必不可少的关键技术之一。 在实现手段上，以往主要应用模拟控制技术，但这种技术有较大的缺点，因为参 数随温度变化而产生较大的漂移，致使不断地需要人工调节以控制参数精度。采 用数字控制则可避免这种缺点，因此变流电路控制技术的发展方向是数字化。在 控制理论的应用上，为了追求变流系统性能进一步的改善，许多现代控制理论被 广泛研究和应用，并与数字控制技术向结合，使得系统设计得以实现和简化。 1 3p w m 逆变技术与e a s t 快控电源 逆变器的脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t l lm o d u l a i o n ) 是用参考波( 通常为低 频的正弦波、有时也用梯形波或三角波) 为“调制波”( m o d u l a i o nw a v e ) ，而以n 倍于调制波频率的正三角波( 有时也可用锯齿波) 为“载波”( c a r r i e rw a v e ) 。由于 正三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可 以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制 波。用开关量取代模拟量，并通过对逆变器功率器件的通断控制，把直流电变为 e a s t 伙控电源并联半桥三电平逆变器的研究 交流电，这种技术就叫做脉宽调制技术。 p w m 技术的发展过程是：1 9 6 0 年，f g t u m b u l l 提出消除特定谐波法；1 9 6 4 年，a s c h n o u n g 和h s t e m m l e r 把通讯系统的调制技术运用到交流传动逆变器中， ， 产生了正弦波脉宽调制技术( s p w m ) ，后由英国b r i s t o l 大学的s r b o w e s 于1 9 7 5 年进行了推广和应用，使s p w m 调制技术成为广泛注意的热点。后来，b o w e s 又相继提出了全数字化s p w m 方案，规则采样数字化p w m 方案及准优化p w m 技术( s u b o p t i m a lp w m ) ，以提高直流电压利用率。1 9 8 3 年，j h o l t z 等又提出了 空间矢量p w m 技术，该技术是直接采用以电动机磁链圆形轨迹为目的的控制方 法，因而使用起来更直观、更方便。 e a s t 快控电源要求以较快的速度跟踪总控提供的电流信号，以形成约束磁 场，维持等离子体在非圆截面时的动态平衡与准确位置，抑制等离子体在大拉长 形下的快速漂移。因此，e a s t 快控电源所使用的电能必然需通过整流和逆变组 合电路对原始电能进行变换后得到，本质上是一种整流一逆变( a c d c a c ) 电源；其逆变输出电流的幅值、频率、稳定度及变化方式皆需随物理试验的要求 而实时调整。e a s t 快控电源的另一大特点在于大电流等级，一般而言，至少应 在数千安且电流品质要求较高。因此，在逆变器拓扑上，多重化并联逆变器结构 将被采用；而有效、成熟易于实现的三角载波相移p w m 调制将是主要的控制技 术。上述也就构成了本论文工作的研究重点。 第二章p w m 及其相移多重化技术 第二章p w m 及其相移多重化技术 p w m 技术是快控电源的核心技术，本章对单极性和双极性p w m 进行了分 析，并对载波相移多重化技术按照整周期相移和半周期相移进行对比分析。 2 1p w m 技术概述 逆变器的脉宽调制技术p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 是一种参考波( 通 常为正弦波，有时也用梯形波或方波) 为调制波( m o d u l a t i n gw a v e ) ，而以n 倍 于调制波频率的三角波( 有时也用锯齿波) 为载波，其中以等腰三角波应用最多。 因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何 一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进 行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。用开关量代替模拟量，并通 过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽调制 技术，当调制波为正弦时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦变化，这种技术 就称为正弦脉宽调制( s i n u s o i d ap w m ) 技术。 p w m 的分类： ( 1 ) 按相数分类：单相和三相 ( 2 ) 按控制对象分类：正弦电压p w m 、正弦电流p w m 、正弦磁链p w m ( 3 ) 按逆变器分类：电压型逆变器p w m 、电流型逆变器p w m ( 4 ) 按极性分类：单极性p w m 、双极性p w m 2 2 双极性p w m 与单极性p w m 5 】 2 2 1 双极性p w m 原理 正 正 图2 1 电压型全桥逆变器 以电压型逆变器( v s i ) 为例，在图2 1 示出的全桥逆变器里，双极性调制时， 两臂中相交叉对应的开关( t l ，t 4 ) 和( t 2 ，t 3 ) 分别组成两个开关组。以正弦波调制 9 e a s t * 档o u * * r 桥= 电 m 变8 w 究 为例，其输出p w m 波形如图2 - 2 所示。其中正弦波“，( “一) 为调制波，三角波 ”“u 一) 为载波。用调制波与载波进行比较在调制波大于载波的部分，开关f r i ， l ) 导通，产生输出的正脉冲+ e ： b - t 部分开关( t 2 t 3 ) 导通，产生负脉冲- e 。 这样产生的p w m 输出波形总是在+ e 、e 两个电平之间变化，有正负极性，故 称之为双极性波形，也叫二阶波形。其器件开关频率与载波频率相等。 调制波的方程式为 圈2 - 2 双极性p w m 原理 “；= 乩s i n ( ，f ) 式中：u 调制波幅值 夸调制度： m ：生l “。 载波比： n 。生) ) q 双极性p w m 渡的双重傅立叶数学表达式为： ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 。：m 。叭叫卜等，蠢j o ( n m ”) 。等。“。m 。 + 等喜。薹华。一m + n 。；。帆，弘4 ， + 等童羹华；州一m + n 咖2 。岫， 式中：山广m 阶贝窭尔函数 ( 广一h 阶贝塞尔函数 第二章p w m 及其相移多重化技术 卜直流侧电压 由式( 2 4 ) 可知，载波为三角波的双极性p w m 波形的谐波包含下列成分：基 波、载波、载波的1 7 1 次谐波、载波及载波m 次谐波的上下边频谐波。其中基波 幅值与调制度m 成正比，故通过调节调制波的幅值大小就可以调节输出电压。 当m 为偶数时，载波的m 次谐波不存在；当m + 刀为偶数时，载波与载波的m 次谐波上下边频谐波也不存在。因此，谐波的分布与调制波从载波比均有 关系；m 可以改变谐波的幅值，而可以改变谐波的频率。越大，谐波频率 越高，滤波越容易。当大到一定值时，只用几个微法的电容就可以达到很好 的滤波效果。这就是提高载波频率的主要原因。 例如，m = 0 8 、y , = l o o h z 、五= i k h z ，双极性p w m 模型见图2 3 ，双极性 p w m 及其频谱分析见图2 - 4 。 双鬣洼p v 嗍哩 图2 - 3 双极性p w m 模型 2 2 2 单极性p w m 原理 ii il li 1 i1 1 1i： o6 0 01 啪1 5 硼砌3 0 0 0 娜姗 。 f m q u e n c 】to - t z ) 图2 - 4 双极性p w m 及其频谱 在单极性调制中，可以采用两种s p w m 调制方案：方案1 ，采用一对反相 的正弦波与一个三角波比较；方案2 ，采用一个正弦波与一对反相的三角波比较。 方案l ：逆变器的a 臂和b 臂分别由调制波玩与三角载波u k 的比较产 生，如图2 5 所示。 o e星，ipiiik，i)-墨 e a s t 快控i u 源井# 桥= 电十逆变# 的研究 圈2 - 5 单极性p w m 模型( 方案i )图2 - 6 单极性p w m 原理( 方案 i i s 与h 的比较结果形成控制a 桥臂开关的逻辑控制信号： “5 u k t 1 导通，u a o = 蜥蜥，t 2 导通，u a o = 0 逆变嚣a 臂相对于直流侧负总线d 的输出电压见图2 7 。 1 1 1 燕澎 川| _ llj ! i i _ ll ! l ；：c 遴 l l l _ _ 。j ! i ! - 图2 7 蜥o ( 方案1 )“蚰( 方案” - 蜥与“的比较结果形成控制b 桥臂开关的逻辑控制信号： “j 栅，l 导通，u a o = e “。毗，t 4 导通，u a o = o 逆变器b 臂相对于直流侧负总线0 的输出电压见图2 - 8 。 这样，逆变器输出电压为a 、b 两桥臂输出之差 5 = 蝴。一蜥d 见图2 - 8 。 第= 荤p w m j 目穆多i 化技术 图2 8 “e ( 方案1 ) 方案2 ：逆变器的a 臂和b 譬分别由调制波虬与三角载波机和- 比较产生 如图2 - 9 所示。 喙耐 嶙嚯 燃瀚群f ，。藩毒 ；i 瞧( ￥避第 训| 图2 - 9 单极性p w m 模型( 方案2 ) 圈2 1 0 单极性p w m 原理( 方寰2 ) 地与i d l e 的比较结果形成控制a 桥臂开关的逻辑控制信号： u z m k ，t i 导通，2 ，t 2 导通，= 0 逆变器a 臂相对于直流侧负总线0 的输出电压见图2 1 l 。 ，誓拳。| k | 2 j r i j j l ；，【j j _ 。1 0 、k o ，引 一一一一 e a s t 快控l u 湃并联半桥j m 平逆童# 日 究 幽2 - 1 1 “o ( 方案2 ) 圈2 - 1 2u e o ( 方采2 ) 乩与地的比较结果形成控制b 桥臂开关的逻辑控制信号： u s - 蜥，1 4 导通，“如= 0 逆变器b 臂相对于直流侧负总线0 的输出电压见图2 1 2 。 这样，逆变器输出电压为a 、b 两桥臂输出之差 妇b = u $ o - - h 肪 见圈2 1 3 。 nr 1 丌陌邢l i j _ _ i 1uu l j l ul ! 目2 1 3 ( 方案2 ) 比较两种方案：对左半桥臂的控制完全一样，对右半桥臂的控制作用等效。 在两种方案下输出波形是完全一致的。 开关的接通状态有四种组合，相应的电平为： t l 、t 4 导通，“。= b “如= 0 t “口= e t 2 、n 导通，。= d u j o = e ，“a b = - h 、t 3 导通，。= ，蜥产e b = o t 2 、l 导通，瑚。= 0 ，u n o = o ，瑚b = d 在这种形式的p w m 电路中输出电压蜥日只能在0 、+ e 或0 、一之间变化 没有极性的交替，因此称之为单极性波形。 a 桥臂输出p w m 波形的双重傅立叶表达式： 第二章p w m 及其相移多重化技术 f 删n 。训+ 等毒t jm m 掣t c 。；n 等州坍脚， 。5 川拈童轰华。眦竿咖。等州州 旧未轰华。叭竿咖睁砸帆， ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) v s i 输出p w m 波形的双重傅立叶表达式： 。f m m 死、 “船：”加一；m e s i n qp,t)+44妻芝d,t-三-)mes i i l o 警万) s i l l 等s i n ( r a n + 疗) q f ( 2 - 7 )2 仇5 s + 量m , w ，邑t l t 5 i i l 掣1 - 万) s i l l 等1 1 s + 疗) 吖u j ，o - t 2 ，“蚂 f ， 由式( 2 7 ) 可以看出，单极性调制方式与双极性调制相比，优点是输出谐波最 低次频率是开关频率( 载波频率) 的两倍，谐波含量小，并易于滤除。每次开关时 电压的跳变由2 e 减少到e 。 例如，m = 0 8 、f 。= 1 0 0 h z 、五= i k h z ，单极性p w m 及其频谱分析见图2 1 4 。 。 f f t v d m l 呲 ，斜幽岫峥_ ?7一 f ，t - 帆 c y c t e t * 、o f e o k t c t e d - 州 弋纵 ( a ) 蝴d 及频谱 1 喜： 塞 主： ( b ) ”占d 及频谱 、 堵 a 螗 喜loo，1)-主 e a s t 快控电源并联半桥三电平逆变器的研究 ，( c ) 蝴占及频谱 图2 1 4 单极性p w m 波形及其频谱分析 2 3p w m 多重化技术 6 - 1 0 】 相移s p w m 技术是多重化技术与s p w m 的结合，就是利用输出波形之间的相 移，然后使它们叠加形成接近于正弦波或期望波形的阶梯( p w m ) 波输出，从而消 除某些较低次谐波的一种波形调制方法。 多重化的目的是：获得系统容量的扩大和低次谐波的抵消，并提高系统的合 成开关频率，提高响应速度。载波相移p w m 技术的本质是p w m 技术与多重化 技术的有机结合。相必比较而言，载波相移技术不仅使p w m 技术适用于特大功 率场合，极大地改善输出波形，减少输出谐波，从而相应减少滤波器的容量，降 低成本，更重要的是可以引入各种先进的控制策略，优化整个系统的性能指标。 从这个角度来说，这也是控制手段在特大功率场合的一个突破。 根据移相角度不同，分为两种载波移相方式：整周期移相( 2 n n ) 和半周期 移相( n n ) 。根据n 的奇偶性不同，分别进行讨论。 2 3 1 整周期相移p w m 技术 整相移s p w m 技术的基本思想是：在多重化为n 的组合装置中使用共同的 调制波，并将各装置中的三角载波相位相互错开2 刀胛角度，利用p w m 技术中 的波形生成方式和多重化技术中的波形迭加结构产生相移式p w m 波形。通过分 析可知，虽然每台变流器开关频率很低，但整个组合变流器输出等效开关频率很 高。这样，不但使p w m 技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容 量的同时，能够有效地减小变流器输出谐波，提高整个装置的信号传输带宽。 当n 为偶数时，以n = 4 为例。左桥臂的调制波+ u i 【l 、+ 毗、+ u k 3 、饥4 的移 1 6 童墨专jll薹 第= 章p w m a l # # 咎多重* 拄束 相角度分别为0 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 矿：相应的反相载波饥1 、u u 、岫、u k 4 的移 相角度分别为1 8 0 0 、2 7 0 。、0 。、9 0 。这样就导致了重台。如图所示 圈2 - 1 5n 为偶数时的全周期移相角度 载瓤= l k h z 血= 1 0 0 h z ，调制度为0 8 时的p w m 波形如下 一哪厂| 厂l | _ n 阳? 。门n m mnn 盯 硼肌 删鹗n 腿o l甄 既n 团门 1 r | 刚 。、 一_ 硼唧蛐l 口吼 皿峨肼砌l l 。r 二 ，0u u u u u u u0 【f 1 一 舢 镳删襻 圈2 1 6n 为偶数时的全周期移相各单元及载波相移p w m ( a ) 单元p w m 波形的频谱( b 】载波相移p w m 波形的额谱 凹2 - 1 7r l 为偶散时的全周期移相单元及裁渡相移p w m 频诺 e a s t 恍* i u 井联半桥j 电十m 奎# 研究 当n 为奇数时，以n = 3 为例。左桥臂的调制渡+ ”、+ “k 2 、+ ，的移相角度 分别为0 。、1 2 0 0 、2 4 0 0 ：相应的反相载波一m l 、一u k 2 、- “的移相角度分别为18 0 | 。、 3 0 0 。、6 0 。三对载渡在3 6 0 0 空间里均匀分布，如图2 - 1 8 所示 一 t 日月m # 图2 - 1 8n 为奇数时的全周期移相角度 蝴= l k h z = 1 0 0 h z ，调制度为0 8 时的p w m 波形如下： 目2 1 9n 为奇数时的全周期移相各单元及载波相移p w m f u n _ c 1 嘲- o 自_ ( 1 h ”t ( a 】单元p w m 渡形晌频谱 1m m i _ | | 1 f h z ) ( b ) 载波裙移p w m 波形的频谱 口!l!，l8 第= 苹p w m & 其相咎多重化技术 目2 - 2 01 1 为奇数时的全周期移相单元及载波相穆p w m 频谱 2 32 半周期相移p w m 技术 半周相移$ p w m 技术要求h 组逆变器各三角载波相位按一定的预先次序依 次错开f n 。 当n 为偶数时，以n = 4 为例。左桥臂的调制波+ “k i 、+ “小+ u 小+ m 4 的移 相角度分别为0 。、4 5 0 、9 0 0 、1 3 5 0 ；相应的反相载波一u 、一u 小”k 3 、一u k 4 的移相 角度分别为18 0 0 、2 2 5 0 、2 7 0 0 、3 1 5 0 。这就使得四对载波在3 6 0o 的空间内均匀错 开。如图2 - 2 1 所示 帅 一t h + 月# * 图2 - 2 1n 为偶数