基于RB-IGBT的T型逆变器中点电压控制技术仿真研究

王全东，李方正

(装甲兵工程学院控制工程系，北京100072)

1 T型逆变器概述

T型逆变器是一种改进型的中点钳位型(NPC)三电平拓扑，如图1所示，它利用一个双向开关来实现中性点对地钳位的功能［1］。与应用较多的二极管NPC拓扑相比，T型逆变器在开关器件、效率和损耗分布等方面具有明显优势，未来应用前景广泛。

图1 基于RB-IGBT的单相T型逆变器

RB-IGBT是一种具有反向耐压能力的新型IGBT器件，其作用可以等同于普通IGBT串联一个二极管，但是它的导通压降比这种组合小［2～4］。两个RB-IGBT反并联即为一个可控的双向开关，可有效降低T型逆变器的导通损耗，进一步提升T型逆变器的效率。

与二极管钳位型三电平类似，中点电流对电容的充放电，同样导致T型逆变器也存在中点电压不平衡问题，严重制约了其工程应用。

2 T型逆变器工作模态分析

假设负载为阻感负载，逆变器输出电压u(t)、电流i(t)及开关管驱动信号如图2所示，根据电压电流的相位关系，一个周期存在八种工作模态，相应的等效电路如图3所示。

八种工作模态中输出电压只有P、O、N三种状态，则三相T型三电平逆变器的工作状态可有33=27种。

图2 输出电压电流及驱动波形示意图

3 中点电位不平衡的成因

采用SVPWM控制时，三相T型逆变器可供选择的开关矢量有27个，远多于两电平，因此输出的正弦波形更佳。这些开关矢量按其幅值可以分为四类，如表1所示。

(1)长矢量对中点电位影响(以PNN为例)的等效电路如图4(a)所示，直流电压中点和负载未形成回路，此时流过中点电流为零，若不考虑C1、C2具体参数的差异，则两电容的电压相等且保持不变，处于动态平衡状态。

图3 各模态等效电路图

表1 矢量分类表

(2)中矢量对中点电位影响(以PON为例)的等效电路如图4(b)所示。若io＞0时，电容C2放电，UC2减小，UC1增加，中点电位下降;反之中点电位上升。所以此时中点电流io流向不同时对中点电位的影响不同。

图4 不同开关矢量下的中点电流

(3)小矢量对中点电位影响(正小矢量以PPO、负小矢量以OON为例)的等效电路如图4(c)、(d)所示。开关状态为PPO时，io=ic;开关状态为ONN时，中点电流io=-ic。由此可见每对正负小矢量对中点电位的影响正好相反。

(4)零矢量对中点电位的影响(以OOO为例)如图4(e)所示，此时虽然电容中点对各相均有电流，但其电流和io=0，不会对电容电压产生影响。

由以上分析可知，造成T型逆变器中点电位偏移的主要原因是某一时刻存在中点电流且不同开关矢量作用时流入和流出中点的电流大小和时间长短不同。该电流对电容进行充电或放电，造成中点电压不停地变化。

4 中点电压平衡控制策略

中矢量形成的中点电流会在一个线电压周期内自动平衡中点电位，小矢量对中点电位的影响最大［5］。但小矢量都是成对的，而且这两种开关状态对中点电位的影响刚好相反。由此可以通过检测直流侧两个电容的电压差判断中点电位的偏移，再根据此时的中点电流流向，合理调整正负小矢量脉冲的作用时间，从而抑制中点电压的波动。

在开关矢量的时间分配中引入矢量时间调节变量s(0＜s＜1)，以此来对每个开关序列内成对的小矢量持续时间进行调整。假设受控小矢量的初始作用时间为Tx，则当检测到C1、C2电压差值超过h时，负小矢量作用时间调整为sTx，相应的正小矢量的作用时间为(1-s)Tx。具体的控制规律是:

式中，h为滞环带宽。在保证中点电压稳定精度的同时h值不宜太小，否则会使得s值变化过于频繁，不利于系统的稳定性。

5 仿真验证

搭建的仿真电路如图5所示，由于MATLAB/Simulink模块中尚无RB-IGBT器件，仿真中的RB-IGBT使用IGBT和二极管串联等效。

图5 SVPWM控制T型逆变器系统仿真模型

表2 系统仿真参数

在如表2所示参数下中点电压和滤波前后的AB线电压仿真结果如图6所示，结果表明在没有中点电压控制时，中点电位波动明显，仿真中根据系统运行状态来调整矢量作用时间的方法可以有效控制T型逆变器的中点电压，从而显著降低了输出电压的高次谐波。

图6 中点电压及AB线电压波形

6 结论

中点电流对电容C1、C2不停地充放电，这是T型逆变器采用空间矢量控制时中点电位不平衡的主要原因。根据正负小矢量对中点电位的影响正好相反的分析结果，本文提出了根据系统运行状态来调整开关序列中小矢量作用时间的算法。仿真结果表明该算法切实可行，T型逆变器的中点电压得到了有效抑制。

［1］马 琳，孙 凯，Remus Teodorescu，等.高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较［J］.电工技术学报，2011，26(2):108-114.

［2］邹庆玉.逆阻型IGBT的三相T型逆变控制系统分析设计［D］.杭州:浙江大学，2012.

［3］Kazuo Shimoyama，Manabu Takei，Yasuhisa Souma，et al.A New Isolation Technique for Reverse Blocking IGBT with Ion Implantation and Laser Annealing to Tapered Chip Edge Sidewalls［C］.18thInternational Symposium on Power Semiconductor Devices ＆IC’s，2006:156-159.

［4］肖华锋，谢少军.采用逆阻型IGBT的零电流开关PWM电流源型半桥变换器［J］.中国电机工程学报，2007，27(31):110-114.

［5］胡慧慧.基于空间矢量控制的三电平逆变器的研究［D］.济南:中国石油大学(华东)，2008.