一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑

一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑第l2卷第4期2008年7月电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROLV0l_12No.4July2008一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑张云,孙力,吴凤江,严冬(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:为了提高五电平逆变器的性价比,在分析传统五电平逆变器拓扑的基础上,重组H桥级联结构与中点电位结构,只增加一个功率开关管构成辅助开关,跨接一个H桥与两个直流电压源,提出一种新型五电平逆变器拓扑.通过不同的开关组合,进而得到五电平输出电压.对H桥级联型五电平拓扑与新型拓扑的结构及输出性能进行了对比分析,仿真与试验结果表明:在输出相同电平的情况下,新型拓扑单元性价比高,验证了新型拓扑的正确性与有效性.关键词:五电平逆变器;高性价比;级联型逆变器;H桥;辅助开关中图分类号:TM464文献标识码:A文章编号:1007449X(2008)04038506Five-levelinvertertopology,vithhighercostperformanceZHANGYun,SUNLi,WUFengiang,YANDong(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Inordertoimprovethecostperformanceofthefive-levelinverter.anovelfive-levelinverterto-pologywaspresented.ThenoveltopologywasrecomposedfromcascadedHbridgestopologyandneutralpotentialtopology,basedonanalysingthetopologiesoftraditionalfivelevelinverters.Anextracontrollablepowerswitchwasusedtoformtheauxiliaryswitch,anditcrossedbetweenanHbridgeandtwoDCvoltagesupplies.Theoutputvoltagewithfivelevelscouldbeobtainedbyaseriesofswithcingcombinations.StructuresandoutputvoltageperformancebetweencascadedHbridgesandthenovelwereanalysedcontrastively.Inthecaseofachievingthesameoutputvoltagelevels,thesimulatedandexperimentalre-suhsindicatethatthenovelcellhashighercostperformance.Andthevalidityandcorrectnessoftheno-veltopologyareverified.Keywords:fivelevelinverter;highercostperformance;cascadedinverter;h-bridge;auxiliaryswitch1引言多电平逆变器与传统两电平逆变器相比,具有众多优点:可以使用较低耐压等级的功率开关管组合输出较高的电压等级;输出电压波形为阶梯PWM波,通过增加电平数,可以提高输出电压波形的正弦度;输出电压的dv/dt较低,减小了电磁干扰,降低了负载绝缘和器件封装绝缘.目前多电平逆变器的拓扑结构主要有三种:二极管箝位型(diodclamped),飞跨电容箝位型(flyingcapacitorclamped)和H桥级联型(cascadedHbridges).前两种多电平拓扑结构在输出三电平时,具有一定的优势,但在增加输出电压电平数时,需要增加大量的有源,无源功率管,使装置体积庞大,甚至难以实现一.并且电容电压存在不收稿日期:20080304基金项目:国家自然科学基金(50477009);黑龙江省自然科学基金(E200625)作者简介:张云(1980一),男,博士研究生,主要研究方向为高压感应电机驱动控制与多电平逆变器;孙力(1960一),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为一体化电机驱动控制与电磁兼容;昊风江(1980一),男,博士,讲师.主要研究方向为交流电机智能驱动控制;严冬(1978一),男,博士,讲师,主要研究方向为电机驱动器的电磁兼容.386电机与控制学报第12卷平衡问题,输出电压容易产生畸变,需要复杂的电压平衡控制方法来解决这个问题J.H桥级联型拓扑摒弃了二极管,飞跨电容的箝位方式,直接通过直流电压源对关断的功率开关管箝位,避免了电压不平衡问题.减少了一定的器件数量.H桥单元级联的方式,在增加输出电压电平数时更具优势,具有较高的实用价值J.多电平逆变器输出电压的电平数与功率开关管的数量有关.因此用性价比的概念来界定输出电压电平数与所用功率开关管数量的关系,即逆变器输出电压性能相近时,所用功率开关管等功率器件数越少.逆变器的性价比就越高,越具有实用价值.H桥级联型逆变器输出五电平电压时,需要两个直流电压源和8个功率开关管.为提高五电平逆变器的性价比,本文提出一种新型五电平拓扑.2现有的五电平逆变器拓扑现有基本的多电平逆变器类型,有二极管箝位型,飞跨电容箝位型和具有独立直流电压源的H桥级联型.前两种多电平逆变器是由单个逆变器直接获得多电平输出,而后者的多电平输出波形是通过多个单元逆变器的输出叠加获得.图1是二极管箝位型单相五电平逆变器拓扑,输出五电平电压需要8个主功率开关管S.S,l2个箝位二极管和4个直流侧串联电容c.C,需要8路驱动信号控制功率开关管的通断.在输出有功时,需要独立的直流电压源或增加大量辅助功率开关管和复杂的平衡控制方法来解决电容电压不平衡问题.图1二极管箝位型的单相五电平逆变器拓扑Fig.1Thefive?levelinvertertopologyofdiodeclamp?typeinsingle?phase图2是飞跨电容箝位型单相五电平逆变器拓扑,结构与二极管箝位型相似,也需要8个主功率开关管S.S.,6个箝位电容C.C和4个直流侧串联电容C,C,需要8路驱动信号控制功率开关管的通断.文献12提出一种具有电容电压自平衡的五电平电容箝位型拓扑,并且不受负载性能影响,可用于有功传输场合,但需要增加大量的有源和无源器件.图2飞跨电容箝位型的单相五电平逆变器拓扑Fig.2Thefive-levelinvertertopologyofflying-capacitorclamp?typeinsingle?phase图3是级联H桥型单相五电平逆变器拓扑,其拓扑结构思想独立于前两种结构,利用结构简单并能产生三电平的H桥输出波形的有序叠加,实现了单相五电平电压波形的输出.而且,该拓扑很容易扩展到2N+1电平(为级联单元数),实现高性能输出电压的高压大功率传输.该拓扑需要两个独立的直流电压源,通过直流电压源直接对关断的功率开关管箝位,不存在箝位电压不平衡的问题.该拓扑结构简单,输出电压质量较高,不用解决箝位电压不平衡问题,较前两种拓扑省去了大量的箝位二极管或箝位电容_I,但主功率开关管并没有减少.基于这些显着的优势,级联型H桥拓扑得到了广泛的研究与应用.图3级联H桥型的单相五电平逆变器拓扑Fig.3Thefive-levelinvertertopologyofcascadeH-bridge?typeinsingle?phase3高性价比五电平拓扑及其工作原理3.1新拓扑的结构特点结合二极管箝位型,飞跨电容箝位型和级联H第4期一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑387桥型拓扑结构的设计思想,以提高逆变器性价比为目的,把这三种拓扑结构重组,可以得到如图4的高性价比单相五电平逆变器拓扑.该新拓扑保留了H桥结构,并且主功率开关管就是H桥的s.s,采用两个等值独立直流电压源,串接.图4中虚线部分为该拓扑的辅助开关,由一不可控单相整流桥(二极管D.D)和功率开关管S组成.辅助开关可以实现能量的双向流动,通过该辅助开关,把两个独立直流电压源的能量按照H桥的4个功率开关管的通断控制,有序组合出五电平电压波形.其特点是有效利用了H桥组合输出电平时简洁的硬件电路,加上中点箝位型电路的中点电位结构,通过辅助开关的能量双向流动,构建出新型五电平逆变单元.新拓扑不存在电压不平衡问题,两个等值的直流电压源直接箝位关断的功率开关管.H桥侧关断的主功率开关管在某些开关组合状态时,需要承受2Vd的电压应力,其他开关组合状态时,只需承受的电压应力.图4高性价比的单相五电平逆变器拓扑Fig.4Thefive-levelinvertertopologywithhighercostperformanceinsinglephase通过H桥侧,可以使该五电平单元级联,形成可扩展的新型级联型多电平逆变器,适合高压大功率场合.3个单相五电平单元采用Y型联结,便可得到图5的三相五电平逆变器.3.2新拓扑组合出多电平的原理以单相五电平逆变器为例,通过图4来说明其组合出五电平的工作原理.设Vd=E,以直流电压源负端为参考点,输出有2E,E,0五种电平,由5种开关组合状态来合成:当开关s.,s同时导通时,=2E;当开关s,s同时导通时,=E;当开关s,s同时导通时;或开关s.,s,同时导通时,:0;当开关s,s同时导通时,=一E;当开关s,s,同时导通时,=一2E.H桥的上下桥臂开关状态互补,内桥臂功率开关管S.,S分别与辅助开关的S组合时,S.,Ss互补导通;或S,S互补导通.图6为对应于输出电压每个电平的电流通路,其中=0时有两种开关组合状态.表1为逆变器输出的5种电平对应的各开关状态,”1”为导通,0为关断.图5高性价比的三相五电平逆变器拓扑Fig.5Thefive-levelinvertertopologywithhighercostperformanceinthree-phase(a)=2E(c)u=0(d)H-一(e)=一2E图6形成五种电平的电流走向Fig.6Thecurrenttendenciesformedfivevoltagelevels388电机与控制学报第l2卷表1五种电平对应的各开关状态Table1Fiveswitchesstatescorrespondingtofivevoltagelevels4新拓扑与H桥级联型性价比的对比分析逆变器输出电压的电平数越多,就越接近正弦波.但并不是输出电平数越多越好,输出电平数增加,需要增加大量的主功率器件及附加器件,制约了多电平逆变器的实际应用.因此,性价比的高低,可以在一定程度上衡量多电平逆变器的实用价值.表2四种五电平拓扑所需的主要器件数目Table2Thenumbersofmaindevicesinfourkindsoffive.1eveltopologies以单相五电平逆变器为例,表2给出了现有的3种五电平逆变器和本文提出的新型五电平逆变器所需主要器件的数量.飞跨电容箝位型和二极管箝位型需要较多的功率器件.H桥级联型需要的功率器件较少,但输出电能质量较高,具有较高的实用价值J.新拓扑所需器件与H桥级联型相比,显着的优势是只需5个功率开关管,功率开关管数量减少了37.5%,这可以极大地减小逆变器的体积,降低成本,并且有助于提高装置可靠性.图7为单相H桥级联型和新型逆变器输出的五电平电压波形,频谱分析图.开关频率都为4kHz,两者输出的五电平电压波形基本一致,最大谐波都是开关频率4kHz附近处的谐波,达到基波幅值的20%左右,其余谐波都在基波幅值的5%以下.新型拓扑在4kHz以下频段的谐波成分要比H桥级联型稍多一点(放大图7),在410kHz频段的谐波,两者相近.因此,H桥级联型拓扑与新型拓扑输出电压的性能基本一致.200乏0一20020堡孛10皇0200三0一2002010皇020t/ms.II.h.IfItIllttllt.O2ooO4ooO8ooOHza)H桥级联型五电平电压波形及频谱20/ms.IIlhIf.III1.1llJ.02uUU4uUU8uUU|Hz(h)新型五电平电压波形及频谱图7单相输出电压性能对比图Fig.7Theconstrastingfiguresaboutvoltageperformanceofsinglephaseoutputs通过两种拓扑所用主功率器件数量与输出电压性能的对比分析,新型拓扑的性价比约为H桥级联型的1.6倍.5仿真与试验验证为验证高性价比五电平逆变器拓扑的可行性,毛:颥:黯200100三0一100200IJqu02040t/mst/ms(a)阻性负载下相电压,相电流(R=100n)8广-40一4卜一8一0t|mst|Iris(b)阻感负载下相电压,相电流(R=251),L=15mH)图8新型单相负载电压,电流仿真波形Fig.8Thesimulationwavesaboutloadsvoltagesandcur-rentswithnewtypeinsinglephase第4期一种具有高性价比的五电平逆变器拓扑389对该拓扑进行了仿真与试验研究.针对该新型拓扑的结构特点,调制方法采用改进的消谐波PWM调制,=100V,调制比m:0.9,载波频率为4kHz,图8给出了新拓扑的两种不同单相负载时的电压,电流仿真波形.图8(a)纯电阻负载R=100Q时,电压,电流波形一致,都为五电平波形;图8(b)阻感负载R=25Q,=15mH时,电压波形仍为五电平,电流波形受电感的滤波作用,为正弦电流波形.3个新型单相五电平逆变器可以组合成图5的三相五电平逆变器.图9(a)为三相相电压的仿真波形;图9(b)为三相线电压的仿真波形.新型三相逆变器输出相电压为五电平,线电压为九电平.200100之0一100200200100乏.一100200200100乏0一10020040O200>,O一200l00400200乏O同负载情况下的试验波形.试验结果与仿真结果一致,验证了高性价比五电平拓扑的正确性与有效性.5ms.iv(a)阻性负载输出电压,电流波形l-”_I_l_LJL_-聊暇,/,/,一,.f/I,十,l,/,/mdiv(b)阻感负载输出电压,电流波形图1O新型单相五电平逆变器试验结果Fig.10Theexperimentresultsoffivelevelinverterwithnewtypeinsinglephase6结语本文提出了一种新型逆变器拓扑单元,通过辅助开关跨接H桥与两个串联直流电压源,得到五电平的输出电压,逆变器输出不受负载特性影响.该拓扑结构不存在电压不平衡问题,直流电压源直接对关断的功率开关管箝位,但H桥侧的开关在某些开关组合状态需承受2.的电压应力.3个单相五电平拓扑可以组合成三相五电平逆变器,并且通过H桥侧,容易扩展成新型单元级联型多电平拓扑,适合高压大功率传输场合.通过与H桥级联型五电平拓扑的结构,输出电压性能的对比分析,新型拓扑约为H桥级联型性价比的1.6倍.仿真与试验研究结果验证了新型拓扑的正确性与有效性,也为新型单元级联型三相多电平逆变器拓扑的实现提供了思路.参考文献:1洪春梅,王广柱.五电平逆变器直流侧电容电压的平衡与控制J.电机与控制学报,2003,7(3):202206.HONGChunmei,WANGGuangzhu.DCbusvoltagebalancingandcontrolinfivelevelinvertersJElectricMachinesandControl,2003,7(3):2022o6.2RODRIGUEZJ,LAIJinsheng,PENGFangzheng.Multilevelinverlers:asurveyoftopologies,controls,andapplicationsJ.IEEETrans.OnIndustrialElectronics,2002,49(4):724736.3林磊,邹云屏,钟和清,等.二极管箝位型三电平逆变器控制系统研究J.中国电机工程学报,2005,25(15):3339.LINLei,ZOUYunping,ZttONGtleqing,eta1.Studyofcontrol390电机与控制学报第12卷systemofdiodeclampedthreelevelinverterJ.ProceedingsoftheCSEE,2005,25(15):3339.4CELANOVICN,BOROYEVICHD.Acomprehensivestudyofneutral-?pointvoltagebalancingprobleminthree?levelneutral-?point-?clampedvoltagesourcePWMinvertersJ.IEEETrans.onPowerElectronics,2OOO,15(3):242249.5DUT0it,MOUTONH.NaturalbalancingofthreelevelneutralpointclampedPWMinvertemJ.IEEETrans.onIndustrialE-lectronics,2002.49(5):10171025.6严干贵,刘文华,陈远华.等.悬浮电容多电平逆变器的通用PWM控制方法J.中国电机工程学报,2003,23(6):3540.YANGangui,LIUWenhua,CHENYuanhua,eta1.AgenericcontrolmethodforflyingcapacitorinverterJ.ProceedingsoftheCSEE,2003,23(6):3540.7AZuNA,CHOONGYC.AnalysisontheperformanceofathreephasecascadedHbridgemultilevelinverterC/FirstInternationalPowerandEnergyCoferencePECon06.Putrajaya,MalaysiaNovember2829,2006:405-410.8陈阿莲,何湘宁.一种改进的级联型多电平变换器拓扑J.中国电机工程学报,2003,23(11):912.CHENAllan,HEXiangning.AnimprovedcascadedmultilevelinvertertopologyJ.ProceedingsoftheCSEE,2003,23(11):912.9】MARIOMarchesoni,PIERLUIGITenca.Diodeclampedmuhilevelconverters:apracticablewaytobalanceDClinkvoltagesJ.IEEETrans.onIndustrialElectronics,2002,49(4):752765.10金舜,钟彦儒,明正峰,等.一种控制中点电位并消除窄脉的三电平PWM方法J.中国电机工程学报,2003,23(10):114118.JINShun,ZHONGYanru,MINGZbengfeng,eta1.AthreelevelPWMmethodofneutral-?po