混合多電平逆變器的功率開關(guān)承受的電壓應(yīng)力不同,,因此同一拓撲中可以采用不同的功率器件,充分利用了功率開關(guān)各自的優(yōu)點,。非對稱h橋是混合多電平逆變器中最基本,、最典型的一類拓撲,其半橋的功率開關(guān)可以分別工作在基頻和高頻pwm方式,,與傳統(tǒng)多電平逆變器相比,,在輸出相同電平數(shù)的情況下,減少了功率器件,,降低了開關(guān)損耗[1,,2]。本文首先對非對稱h橋五電平逆變器進行了分析,,利用其結(jié)構(gòu)特點,提出一種通用的調(diào)制策略,。最后以電容箝位型非對稱h橋拓撲為實驗平臺,,對所提調(diào)制策略進行了實驗驗證。
2 非對稱h橋五電平逆變器
非對稱h橋拓撲是混合多電平拓撲中最基本,、最典型的一類拓撲,,其半橋的功率開關(guān)可以分別工作在基頻和高頻pwm方式,與傳統(tǒng)多電平逆變器相比,,在輸出相同電平數(shù)的情況下,,減少了功率器件,降低了開關(guān)損耗,。目前最具有實用價值的三種五電平非對稱h橋有:雙向開關(guān)非對稱h橋,、二極管箝位型非對稱h橋和電容箝位型非對稱h橋,分別如圖1(a),、(b),、(c)所示。圖1(a)的雙向開關(guān)型五電平逆變器通過雙向開關(guān)(s5和d1~d4)和h橋(s1~s4),,將兩個直流電源e的電壓組合輸出五電平交流電壓,;圖1(b)為二極管箝位型五電平逆變器,其左半橋為二極管箝位型三電平半橋,,右半橋為兩電平半橋,,而圖1(c)為電容箝位型五電平逆變器,,其左半橋為電容箝位型三電平半橋。
傳統(tǒng)的多電平逆變器有三類:二極管箝位型,、飛跨電容型,、h橋級聯(lián)型,附表為五電平逆變器單相所需功率器件對比表,,與傳統(tǒng)的三類五電平逆變器相比,,前三類拓撲采用電壓應(yīng)力為1:1的功率開關(guān),導(dǎo)致拓撲所需功率開關(guān)最多,;圖1的非對稱h橋五電平逆變器混合應(yīng)用電壓應(yīng)力比為1:2的功率開關(guān),,以較少的功率開關(guān)輸出五電平電壓,從輸出電壓電平數(shù)和所用功率開關(guān)數(shù)的角度來說,,比前三類拓撲具有更大的優(yōu)勢,。
3 通用調(diào)制策略
圖1中的非對稱h橋五電平逆變器已有的調(diào)制策略分別采用特定次諧波消去法[3]和方波-消諧波pwm合成調(diào)制策略[4],前者在電機驅(qū)動場合的頻繁寬調(diào)速范圍過程中,,開關(guān)轉(zhuǎn)換時刻的查表值與真實值之間會存在一定的偏差,,后者需要把高、低頻功率開關(guān)的半橋進行分離調(diào)制,,計算出高頻功率開關(guān)半橋的調(diào)制波,,增加了調(diào)制策略的復(fù)雜性。針對這些問題,,本文提出一種對非對稱h橋五電平逆變器具有通用性的調(diào)制策略,。
3.1 通用調(diào)制策略原理
目前常用的“半橋”主要有三種類型:兩電平半橋hb1、二極管箝位型n電平半橋hb2,、電容箝位型n電平半橋hb3,。而將這三類“半橋”進行有序混合,構(gòu)成通用非對稱h橋如圖2所示,。圖中hbx’表示這個“半橋”相對于hbx以較少的耐高壓功率開關(guān)工作于階梯波調(diào)制方式,,而hbx則以較多的低壓功率開關(guān)工作于pwm調(diào)制狀態(tài),x為1,、2,、3,偶數(shù)m為直流電源的標么系數(shù),,輸出電壓的每個電平電壓為e,。非對稱h橋的特點是,當(dāng)pwm調(diào)制狀態(tài)的半橋hbx的功率開關(guān)承受e的關(guān)斷電壓應(yīng)力時,,右半橋hbx’的功率開關(guān)承受的關(guān)斷電壓應(yīng)力最大需達到me,,限制了其功率開關(guān)只能為低頻、耐高壓器件,。而圖1中的三種非對稱h橋五電平拓撲是圖2的通用非對稱h橋當(dāng)m=1時的特例,。
圖2的通用非對稱h橋的右半橋工作在基頻方波調(diào)制時,,其驅(qū)動信號與調(diào)制波的過零點同步。根據(jù)調(diào)制波所在正負區(qū)域的位置及左半橋hbx輸出電壓電平對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài),,確定出基波周期內(nèi)載波的分布狀態(tài),。而3種類型的“半橋”中功率開關(guān)呈互補對,因此載波數(shù)量即為左半橋hbx的功率開關(guān)互補對數(shù)量,,也就是直流電源的標么系數(shù)m,。圖3為非對稱h橋拓撲的通用調(diào)制策略,載波cm,、cm’根據(jù)輸出電壓電平對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)進行有序?qū)盈B分布,。而正負區(qū)域內(nèi),載波層疊的位置需根據(jù)輸出電平對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)決定,,調(diào)制波vref與其所在的載波ci層進行分層,、分區(qū)pwm調(diào)制,得到對應(yīng)功率開關(guān)si互補對的pwm驅(qū)動信號,,使得非對稱h橋的uo輸出與載波ci對應(yīng)的pwm電平層,。而在此時間區(qū)域內(nèi),其它功率開關(guān)均處于導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài),。
3.2 非對稱h橋五電平逆變器的通用調(diào)制策略
由圖1的非對稱h橋五電平逆變器的工作機理可得,,非對稱h橋的右半橋的功率開關(guān)均工作于基頻,左半橋功率開關(guān)驅(qū)動信號為pwm互補對,,例如圖1(a)中功率開關(guān)s1,、s5(或s2、s5)互補,;圖1(b) 功率開關(guān)s1、s3互補且s2,、s4互補,;圖1(c)功率開關(guān)s1、s4互補且s2,、s3互補,。由圖3的非對稱h橋通用調(diào)制原理可得非對稱h橋五電平逆變器通用調(diào)制原理如圖4所示。非對稱h橋五電平逆變器在調(diào)制波的正半周期內(nèi),,需要2路垂直分布的載波c1,、c2,調(diào)制波與這兩路載波進行spwm調(diào)制,,分別對應(yīng)得到非互補功率開關(guān)s1,、s2的驅(qū)動信號,使得五電平逆變器輸出對應(yīng)于載波c1,、c2的兩個pwm電平層1,、2,。右半橋s5的驅(qū)動信號由調(diào)制波的過零點決定。在調(diào)制波的負半周期內(nèi),,載波交錯分布到調(diào)制波的負區(qū)域,,完成負半周期的spwm調(diào)制,輸出pwm電平層1’,、2’,。
4 實驗結(jié)果
為了驗證非對稱h橋五電平逆變器的通用調(diào)制策略,本文以單相電容箝位型五電平非對稱h橋拓撲為實驗平臺,,進行實驗驗證,。直流母線電壓e=20v,載波頻率fc=2khz,,調(diào)制波頻率fm=50hz,,調(diào)制度ma=0.95,rl負載,,r=100ω,,l=63ml。
圖5為功率開關(guān)s1,、s5驅(qū)動信號實驗波形,,功率開關(guān)s1~s4均工作于高頻pwm狀態(tài),功率開關(guān)s5,、s6工作于基頻狀態(tài),。圖6為逆變器輸出電壓與箝位電容電壓實驗波形,uo為逆變器輸出的五電平電壓,,uo為逆變器箝位電容電壓,,由于正、負半周期地對箝位電容進行充,、放電,,使得電容電壓存在較小的波動,但通用調(diào)制策略使得箝位電容電壓達到了較好的平衡,。圖7為逆變器輸出電壓與負載電流實驗波形,,il為負載電流(電阻r兩端電壓),rl負載使得負載電流具有較好的正弦度,。
5 結(jié)束語
本文對三種非對稱h橋五電平逆變器進行了分析,,在此基礎(chǔ)上提出一種對非對稱h橋通用的調(diào)制策略,適用于三種非對稱h橋五電平逆變器,。最后,,通過單相電容箝位型五電平逆變器實驗平臺,驗證了所提方法的正確性與有效性。