陳賢明

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器

陳賢明

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

摘要：提出了一種用單相的中點(diǎn)箝位三級逆變器的半橋來實(shí)現(xiàn)逆變功能的方案。研究分析了中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器的工作原理。仿真實(shí)例證明方案是可行的。

關(guān)鍵詞：中點(diǎn)箝位；三級逆變器；半橋；單周控制；仿真

1　引言

為了有效抑制日益惡化的氣候變化，也為了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，世界各國都很重視節(jié)能減排工作。除了工業(yè)部門大量消耗電能外，各種家用電器也大量消耗電能，因此也有節(jié)能的潛力。家用電器大多采用單相電源?，F(xiàn)在家用空調(diào)、電冰箱等己采用變頻技術(shù)，需要用到單相橋整流器和單相橋逆變器，但過去它們常用二極管和晶閘管構(gòu)成，其缺點(diǎn)是會產(chǎn)生電流諧波并消耗無功，引起電網(wǎng)污染。比較合理的辦法是采用具有功率因數(shù)校正（PFC）功能的整流器，亦即進(jìn)線電流正弦、功率因數(shù)為1的整流器，對逆變器也要求輸出正弦電流，并網(wǎng)情況下其功率因數(shù)也為1，這樣就省去了濾波器和無功補(bǔ)償?shù)囊蟆４送?，在小型的再生能源如風(fēng)能和光伏發(fā)電中，也會用到單相的逆變器，文獻(xiàn)［1］中己對用單相整流／逆變H橋來解決上述問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文對其中的單相H橋逆變器提出了另一種解決方法，即利用中性點(diǎn)箝位NPC的三級三相逆變器的一個相（或稱半橋）來實(shí)現(xiàn)單相逆變功能，使其輸出正弦電流，且在并網(wǎng)時(shí)功率因數(shù)為1。

2　中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器的工作原理

圖1　中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器電路圖

圖1為中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器的電路圖，它由電力電子全控型開關(guān)元件（以下簡稱為T管）和其反并聯(lián)的二極管D組成，共有4組。1，2號組件組成上半臂，導(dǎo)通時(shí)a點(diǎn)輸出”＋”電平。3，4號組件組成下半臂，導(dǎo)通時(shí)a點(diǎn)輸出“－”電平。當(dāng)2，3號組件導(dǎo)通時(shí)a點(diǎn)輸出“0”電平。Dp，Dn是上、下中點(diǎn)箝位二極管。逆變器輸出經(jīng)電感L接到負(fù)荷或電網(wǎng)Ua，電網(wǎng)零線接至直流側(cè)的中點(diǎn)0處。顯然，不用脈寬調(diào)制PWM控制時(shí)a點(diǎn)輸出的是矩形波。為使其產(chǎn)生正弦波電流，可以用正弦波脈寬調(diào)制SPWM實(shí)現(xiàn)。這里在電壓正半波時(shí)可由T1，T2導(dǎo)通和T2，T3導(dǎo)通構(gòu)成正向的單極調(diào)制波，由T4，T3導(dǎo)通和T2，T3導(dǎo)通構(gòu)成負(fù)向的單極形調(diào)制波。

圖2　并網(wǎng)的中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3　 NPC－3LI模塊展開圖

圖4　驅(qū)動模塊Drv－Sgl的展開圖

圖5　 T管的驅(qū)動信號

3　中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器仿真

圖2為并網(wǎng)的中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器的Matlab／Simulink仿真［2，3，4］結(jié)構(gòu)圖，其中NPC－3LI模塊為中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器，其電路圖與圖1相同，其模塊展開圖如圖3所示。模塊Drv－Sgl是逆變器T管的驅(qū)動模塊，如圖4所示。這里同步信號Usa取自單相電網(wǎng)電壓，在正半波時(shí)，T1作PWM控制，T2恒導(dǎo)通。在功率因數(shù)為1時(shí)，由于有電感L，當(dāng)PWM由”1”變”0”時(shí)，電流導(dǎo)通途徑由＋→T1，T2→a→L→Ua→0轉(zhuǎn)變?yōu)槔m(xù)流途徑0→Dp，T2→a，L→Ua→0，在Usa負(fù)半波時(shí)T3恒導(dǎo)通，T4作PWM控制，電流由a點(diǎn)經(jīng)T3，T4流向”－”端，當(dāng)PWM變“0”時(shí)，經(jīng)T3，Dn而續(xù)流。圖4為驅(qū)動模塊Drv－Sgl的展開圖，其中的ga是PWM的控制信號，它是由圖2中的單周控制［5］模塊OCCa產(chǎn)生的。圖5是T管的驅(qū)動信號，這里T1，T4管作PWM控制，其開關(guān)損耗遠(yuǎn)比恒導(dǎo)通的T2，T3管大，因此發(fā)熱利害。為使各T管發(fā)熱均勻，也應(yīng)對T2，T3作PWM控制，使T1，T2恒導(dǎo)通，此時(shí)為能續(xù)流就要用中點(diǎn)活箝位［6］的技術(shù)，見附錄內(nèi)容。圖6是OCCa模塊的展開示意圖，它輸入的被控信號是逆變器輸出的電流ia，參考信號Refa采用的是和電網(wǎng)電壓Ua成正比的信號，Refa的大小受圖2中的Ref控制。ia經(jīng)積分器1／S積分后，經(jīng)開關(guān)Switch進(jìn)入比較器compa中比較，要讓OCCa中的比較器compa正確比較，交流的ia的積分值和Refa值均需用絕對值，圖中的開關(guān)Switch用于積分器1／S清零用。注意這里的逆變器輸出電流ia要跟隨其參考信號Refa亦即電網(wǎng)電壓Ua成正比變化，這樣就能保證功率因數(shù)接近1。圖2中還有一些用于電壓、電流的測量單元和若干的示波器Sc ope，用于觀察仿真結(jié)果。

圖7　中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器仿真結(jié)果

圖6　單周控制OCCa模塊的展開

4　中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器仿真實(shí)例

假定半橋直流側(cè)E1＝E2＝250V，串聯(lián)電感L＝5 mH，二極管D管壓降為0．8V，全控型開關(guān)T管為IGBT，管壓降為1V，通態(tài)電阻Ron＝0．001Ω，吸收電路電阻Rs＝100kΩ，單周控制用的時(shí)鐘頻率clk＝1kHz，仿真分以下兩種情況：（1）逆變器輸出經(jīng)電感L接到R＝5Ω和0．1mH的阻感負(fù)荷。［結(jié)果見圖7（A）至7（F）］

（2）逆變器輸出經(jīng)電感L接至Ua＝220V單相電網(wǎng)。［結(jié)果見圖7（G）至7（I）］。圖7為仿真結(jié)果波形，圖7（A）為逆變器的負(fù)荷電流i和電壓Ua′，都接近正弦，由于負(fù)荷的電感較小，功率因數(shù)接近1。圖7（B）是逆變器輸出端對直流中點(diǎn)輸出的單極性矩形調(diào)制波形圖。圖7（C）為電感L上的電壓降，它保證了矩形調(diào)制波至正弦波的過渡。

圖7（D）表示了OCCa單元的比較器兩個輸入，ia的積分值和參考值Refa波形表明比較器工作正確。圖7（E）、（F）為直流側(cè)上下電流id＋，id＿的工作情況。

圖7（G）為逆變器并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)電壓Ua和電流i波形圖，可看出功率因數(shù)接近1，但電流i呈矩形，有諧波，這也可從圖7（I）的直流側(cè)上部電流id＋看出，圖7（H）為逆變器并網(wǎng)時(shí)串聯(lián)電感L上的電壓波形。注意并網(wǎng)下其它點(diǎn)的波形和帶阻感負(fù)荷相同，這里就不一一列出了。

5　結(jié)束語

從仿真結(jié)果看，中點(diǎn)箝位三級半橋逆變器的實(shí)現(xiàn)是可能的，比起單相H橋逆變器來說，直流側(cè)要用雙電源，當(dāng)然，也可用單電源和串聯(lián)電容器分壓來滿足。此外，由圖5知T2，T3也有可能用半控的晶閘管代替，以降低成本。總之，本方案不失為單相逆變提供了另一種可能性。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳賢明，呂宏水，劉國華．單相整流／逆變H橋剖析及仿真研究［A］．第二屆全國電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議論文集［C］．長沙，2011．141－152．

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［3］王忠禮，段慧達(dá)，高玉峰．MATLAB應(yīng)用技術(shù)—在電氣工程與自動化專業(yè)中的應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

［4］吳天明，謝小竹，彭彬．MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2004．

［5］K．Smedley，S．Cuk．One－cyclecontrolofswitchingconverters ［A］．The22nd Annual IEEE Specialist Conference Record on Power Electronics［C］．Cambridge，1991．888－896．

［6］T．Bruckner，et al．The active NPC converter and its loss balancingcontrol［A］．IEEETrans，52（3），2005．855－868．

附錄：中點(diǎn)活箝位ANPC（Active Neutral－Point Clamped）三級逆變器［6］

在正文圖1的上、下箝位二極管位置各反并聯(lián)Tp，Tn管如附圖1所示。通常T1，Tn同步開通，T1，T3互補(bǔ)開通，T4，Tp同步開通，T4，T2互補(bǔ)開通。當(dāng)T1恒導(dǎo)通，T2作PWM控制時(shí)，PWM為”1”時(shí)a點(diǎn)輸出”＋”電平，PWM變”0”時(shí)，電流途徑由＋→T1，T2→a→L→Ua→0轉(zhuǎn)變?yōu)槔m(xù)流途徑0→Tn→D3→a，L→Ua→0，Tp，Tn能保證T2，T3作P WM控制下續(xù)流成功，有利于T管損耗和發(fā)熱均勻，驅(qū)動信號只要把圖4驅(qū)動模塊中的T1（Tn），T2互換為T3，T4（Tp）就可以了。在實(shí)際應(yīng)用中可使一個工頻周期按T1，T4作PWM控制，下一工頻周期按T2，T3作PWM控制就可以了。附圖2（A）是生成周波交替控制信號Q，！Q的電路。附圖2（B）為其相關(guān)點(diǎn)波形示意圖。

附圖1　 ANPC半橋逆變器

附圖2　 PWM交替控制信號的生成和相關(guān)點(diǎn)波形示意圖

中圖分類號：TM464＋．31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0031—04

收稿日期：2014－10－20

Neutral point clamped three－level half－bridge inverter

CHEN Xian－ming
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

Abstract：The scheme of realizing the inverter functions with the single－phase half bridge of the neutral－point clamped three－level inverter is put forward．The working principles of the neutral point clamped three－level halfbridge inverter are studied．The scheme is proved to be feasible by the practical simulation experiments．

Key words：neutral－point clamped（NPC）；three－level inverter；half－bridge；one－cycle control（OCC）；simulation