中点箝位三级半桥逆变器

陈贤明

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

中点箝位三级半桥逆变器

陈贤明

（国网电力科学研究院，江苏南京210003）

摘要：提出了一种用单相的中点箝位三级逆变器的半桥来实现逆变功能的方案。研究分析了中点箝位三级半桥逆变器的工作原理。仿真实例证明方案是可行的。

关键词：中点箝位；三级逆变器；半桥；单周控制；仿真

1　引言

为了有效抑制日益恶化的气候变化，也为了经济的可持续发展，世界各国都很重视节能减排工作。除了工业部门大量消耗电能外，各种家用电器也大量消耗电能，因此也有节能的潜力。家用电器大多采用单相电源。现在家用空调、电冰箱等己采用变频技术，需要用到单相桥整流器和单相桥逆变器，但过去它们常用二极管和晶闸管构成，其缺点是会产生电流谐波并消耗无功，引起电网污染。比较合理的办法是采用具有功率因数校正（PFC）功能的整流器，亦即进线电流正弦、功率因数为1的整流器，对逆变器也要求输出正弦电流，并网情况下其功率因数也为1，这样就省去了滤波器和无功补偿的要求。此外，在小型的再生能源如风能和光伏发电中，也会用到单相的逆变器，文献［1］中己对用单相整流／逆变H桥来解决上述问题进行了详细分析。本文对其中的单相H桥逆变器提出了另一种解决方法，即利用中性点箝位NPC的三级三相逆变器的一个相（或称半桥）来实现单相逆变功能，使其输出正弦电流，且在并网时功率因数为1。

2　中点箝位三级半桥逆变器的工作原理

图1　中点箝位三级半桥逆变器电路图

图1为中点箝位三级半桥逆变器的电路图，它由电力电子全控型开关元件（以下简称为T管）和其反并联的二极管D组成，共有4组。1，2号组件组成上半臂，导通时a点输出”＋”电平。3，4号组件组成下半臂，导通时a点输出“－”电平。当2，3号组件导通时a点输出“0”电平。Dp，Dn是上、下中点箝位二极管。逆变器输出经电感L接到负荷或电网Ua，电网零线接至直流侧的中点0处。显然，不用脉宽调制PWM控制时a点输出的是矩形波。为使其产生正弦波电流，可以用正弦波脉宽调制SPWM实现。这里在电压正半波时可由T1，T2导通和T2，T3导通构成正向的单极调制波，由T4，T3导通和T2，T3导通构成负向的单极形调制波。

图2　并网的中点箝位三级半桥逆变器仿真结构图

图3　 NPC－3LI模块展开图

图4　驱动模块Drv－Sgl的展开图

图5　 T管的驱动信号

3　中点箝位三级半桥逆变器仿真

图2为并网的中点箝位三级半桥逆变器的Matlab／Simulink仿真［2，3，4］结构图，其中NPC－3LI模块为中点箝位三级半桥逆变器，其电路图与图1相同，其模块展开图如图3所示。模块Drv－Sgl是逆变器T管的驱动模块，如图4所示。这里同步信号Usa取自单相电网电压，在正半波时，T1作PWM控制，T2恒导通。在功率因数为1时，由于有电感L，当PWM由”1”变”0”时，电流导通途径由＋→T1，T2→a→L→Ua→0转变为续流途径0→Dp，T2→a，L→Ua→0，在Usa负半波时T3恒导通，T4作PWM控制，电流由a点经T3，T4流向”－”端，当PWM变“0”时，经T3，Dn而续流。图4为驱动模块Drv－Sgl的展开图，其中的ga是PWM的控制信号，它是由图2中的单周控制［5］模块OCCa产生的。图5是T管的驱动信号，这里T1，T4管作PWM控制，其开关损耗远比恒导通的T2，T3管大，因此发热利害。为使各T管发热均匀，也应对T2，T3作PWM控制，使T1，T2恒导通，此时为能续流就要用中点活箝位［6］的技术，见附录内容。图6是OCCa模块的展开示意图，它输入的被控信号是逆变器输出的电流ia，参考信号Refa采用的是和电网电压Ua成正比的信号，Refa的大小受图2中的Ref控制。ia经积分器1／S积分后，经开关Switch进入比较器compa中比较，要让OCCa中的比较器compa正确比较，交流的ia的积分值和Refa值均需用绝对值，图中的开关Switch用于积分器1／S清零用。注意这里的逆变器输出电流ia要跟随其参考信号Refa亦即电网电压Ua成正比变化，这样就能保证功率因数接近1。图2中还有一些用于电压、电流的测量单元和若干的示波器Sc ope，用于观察仿真结果。

图7　中点箝位三级半桥逆变器仿真结果

图6　单周控制OCCa模块的展开

4　中点箝位三级半桥逆变器仿真实例

假定半桥直流侧E1＝E2＝250V，串联电感L＝5 mH，二极管D管压降为0．8V，全控型开关T管为IGBT，管压降为1V，通态电阻Ron＝0．001Ω，吸收电路电阻Rs＝100kΩ，单周控制用的时钟频率clk＝1kHz，仿真分以下两种情况：（1）逆变器输出经电感L接到R＝5Ω和0．1mH的阻感负荷。［结果见图7（A）至7（F）］

（2）逆变器输出经电感L接至Ua＝220V单相电网。［结果见图7（G）至7（I）］。图7为仿真结果波形，图7（A）为逆变器的负荷电流i和电压Ua′，都接近正弦，由于负荷的电感较小，功率因数接近1。图7（B）是逆变器输出端对直流中点输出的单极性矩形调制波形图。图7（C）为电感L上的电压降，它保证了矩形调制波至正弦波的过渡。

图7（D）表示了OCCa单元的比较器两个输入，ia的积分值和参考值Refa波形表明比较器工作正确。图7（E）、（F）为直流侧上下电流id＋，id＿的工作情况。

图7（G）为逆变器并网时电网电压Ua和电流i波形图，可看出功率因数接近1，但电流i呈矩形，有谐波，这也可从图7（I）的直流侧上部电流id＋看出，图7（H）为逆变器并网时串联电感L上的电压波形。注意并网下其它点的波形和带阻感负荷相同，这里就不一一列出了。

5　结束语

从仿真结果看，中点箝位三级半桥逆变器的实现是可能的，比起单相H桥逆变器来说，直流侧要用双电源，当然，也可用单电源和串联电容器分压来满足。此外，由图5知T2，T3也有可能用半控的晶闸管代替，以降低成本。总之，本方案不失为单相逆变提供了另一种可能性。

参考文献：

［1］陈贤明，吕宏水，刘国华．单相整流／逆变H桥剖析及仿真研究［A］．第二届全国电能质量学术会议论文集［C］．长沙，2011．141－152．

［2］邱晓林，等．基于Matlab的动态模型与系统仿真工具—Simulink 3．0／4．X［M］．西安：西安交通大学出版社，2003．

［3］王忠礼，段慧达，高玉峰．MATLAB应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用［M］．北京：清华大学出版社，2007．

［4］吴天明，谢小竹，彭彬．MATLAB电力系统设计与分析［M］．北京：国防工业出版社，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．

附录：中点活箝位ANPC（Active Neutral－Point Clamped）三级逆变器［6］

在正文图1的上、下箝位二极管位置各反并联Tp，Tn管如附图1所示。通常T1，Tn同步开通，T1，T3互补开通，T4，Tp同步开通，T4，T2互补开通。当T1恒导通，T2作PWM控制时，PWM为”1”时a点输出”＋”电平，PWM变”0”时，电流途径由＋→T1，T2→a→L→Ua→0转变为续流途径0→Tn→D3→a，L→Ua→0，Tp，Tn能保证T2，T3作P WM控制下续流成功，有利于T管损耗和发热均匀，驱动信号只要把图4驱动模块中的T1（Tn），T2互换为T3，T4（Tp）就可以了。在实际应用中可使一个工频周期按T1，T4作PWM控制，下一工频周期按T2，T3作PWM控制就可以了。附图2（A）是生成周波交替控制信号Q，！Q的电路。附图2（B）为其相关点波形示意图。

附图1　 ANPC半桥逆变器

附图2　 PWM交替控制信号的生成和相关点波形示意图

中图分类号：TM464＋．31

文献标识码：A

文章编号：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