PDF《级联 H 桥多电平变流器优化调制算法研究》

陶宇, 研究 生, 研究方向为嵌入式系统. 收稿日期:

2010 -09-18 仪器仪表用户 t 研究报告 t

8 EI C Vo.l

18 2011 No .

1 欢迎光临本刊网站 http : / /www. eic. co m. cn 的不断增大, 只有不断增加级联单元数才能满足输出 高电压, 低电流的需求, 与此同时, 开关管数量也相应 的增多这使得开关损耗急剧增大.这部分消耗功率 会转变为热量使功率器件管芯发热结温升高, 如果不 能及时有效地将此热量释放, 将会影响到器件的工作 性能, 从而降低系统工作的可靠性, 甚至损坏器件, 严 重影响系统的运行性能 [

2 ] .因此, 针对此问题, 介绍 了一种改进的调制策略, 不仅使输出的电压电流谐波 小, 非常接近正弦波, 而且大大减小了开关损耗.

1 传统应用于单元串联多电平逆变器的调制 算法 单元串联多电平逆变器由多个 H 型全桥逆变电 路作为基本单元 [ 3] , 图 1为单相五单元级联逆变拓扑 图, 由五个 H桥串联而成, 输出的相电压是 5个功率 单元输出电压的叠加.单个 H 桥功率单元的工作原 理为: 当开关管 V11, V14导通时, H 桥处于正向导通状 态, 输出正向电压 E;

当开关管 V12, V13 导通时, H 桥 处于反向导通状态, 输出反向电压 - E;

当开关管 V

11、 V12或V

13、 V14导通时, H桥处于旁路状态, 输出电 压为 0(本文的仿真实验选定 V

13、 V14同时导通, H 桥 处于旁路状态 ).五单元串联逆变器的相电压为 V = VH1 + VH2 + VH

3 + VH4 + VH5. 图1五单元级联逆变拓扑结构

1 .

1 载波相移脉宽调制技术 载波相移脉宽调制技术 ( CPS -SPWM ) 是适用于 大功率电力电子装置的开关调制策略, 级联多电平变 流器多应用此调制算法 [ 4] .它的基本思想是: 对每 个模块进行 SPWM 调制, 各单元模块采用共同的调 制波信号, 每个模块的三角载波与其相邻模块的载波 之间均有一个相移.当三角波大于正弦波时, 触发管 子导通, 反之, 则截止.这样各模块所产生的 SPWM 脉冲在相位上是错开的, 从而提高了各模块最终叠 加输出的 SPWM 波的等效开关频率, 因此可以在不 提高开关频率的条件下减小输出谐波 [ 5] . 输出谐波小, 能够精准的再现调制波信息, 输出 最接近正弦波是 CPS -SP WM 调制算法的优点, 其缺 点是随着开关频率的增高, 开关损耗很大, 这将严重 影响系统性能 [ 6] . 逆变器的功率损耗主要是指开关管的损耗, 通过 仿真实验得出: 当PWM 信号频率低于 5k H z时, 通态 损耗是主损耗;

当PWM 信号频率高于 5kH z时, 开关 损耗是主损耗;

所以本文讨论的是 PWM 信号频率高 于5kHz时的逆变器功耗情况.开关管的损耗等于集 电极电流 ( Ic)乘以管子压降 ( V ce)再乘以开关次数. 其最精确的测量方法是: 将集电极电流 Ic和IGBT 压降Vce的波形逐点相乘得到功耗的瞬时波形 [ 2] , 此 波形与坐标轴所围面积即是开关管的总损耗.其仿 真框图如图 2示. 图2功率损耗仿真模型

1 .

2 阶梯波调制技术 阶梯波调制技术 就是用阶梯波来逼 近正弦 波[1] .对于额定输出电压为

6 kV 的变频器, 每相由 五个额定电压为

690 V的功率单元串联而成, 输出相 电压可达

3450 V, 线电压可达

6 k V 左右.这种采取 单元串联的方式来实现直接高压输出, 可省去笨重的 变压器.其工作原理为: 当采集到的电网电压大于