新型直流電流源TPWM級聯(lián)式多電平逆變器

引言

　　我曾發(fā)表過一篇“直流電源PWM級聯(lián)與多電平逆變器的技術(shù)改革”的文章，這是針對電壓型逆變器而寫的。實際上，根據(jù)電壓型與電流型逆變器的對偶性原理，這種改革的思想也同樣可以應用到電源型逆變器。

　　所謂電流型TPWM（Trapezoida-PWM）逆變器的級聯(lián)，就是把N個出電流為TPWM波形的相同三相逆變器進行并聯(lián)疊加。當前常用的三相電流型TPWM逆變器的共同特點是，并聯(lián)疊加與TPwM控制，都是在逆變器上進行的，這種級聯(lián)方式存在著使用的器件較多、開關(guān)損耗較大、制造成本較高的缺點。如果把并聯(lián)疊加與TPWM控制都移到直流電流源上進行，可以減少使用元器件的數(shù)量，特別是可以減少使用TPWM開關(guān)器件的數(shù)量，并使逆變開關(guān)自然地工作在ZCS狀態(tài)。這樣，不僅僅提高了逆變效率，同時也大大降低了逆變器的制造成本。

　　1 基本三相TPWM直流電流源逆變器的工作原理

　　基本三相TPWM直流電流源逆變器的原理電路如圖1所示。這是一種新型三相TPWM直流電流源逆變器。它與一般的三相電流型TPWM逆變器有一個很大的差別，即輸出電流的TPWM控制，不是在逆變開關(guān)上進行的，而是在直流電流源上進行的。即在直流電流源與各相輸出2H橋逆變器2HA、2HB、2HC之間，分別串入了一只開關(guān)管VTA、VTB、VTC，用這三個開關(guān)管對直流電流源進行TPWM控制，使各相直流電流IdA、IdB、IdC。得到像單相全波整流器輸出電壓那樣的TPWM直流電流源波形，而后將此波形再經(jīng)過后面的GTO2HA、GTI2HB、GTO2Hc逆變橋的同步ZCS逆變，就可以變成為三相TPWM交流電流輸出。

　　不過對于電流型逆變器直流電流源進行TPWM控制，不同于對電壓型逆變器直流電源的SPWM控制，即它不能各相獨立地對直流電流源進行TPWM控制，必須按照電流三相逆變器TPWM控制的特點，將三個相的直流電流源一起同時進行TPWM控制，使三相的直流電流源的輸出電流IdA+IdB+IdC=Id，以保證在TPWM調(diào)制工作過程中，使直流電流源Id的輸出電流穩(wěn)定不變。

　　下面介紹三相基本TPWM直流電流源逆變器的工作原理。

　　圖1所示的三相基本TPWM直流電流源逆變器，采用的是變載波三角波TPWM控制，其中梯形調(diào)制波的波形，和兩組相位相差180 o的載波三角波的波形如圖2所示，在TPWM控制過程中，兩組載波三角波uc和uc'，必須以各相調(diào)制波uT的周期為間隔，交替地進行切換，并與各相梯形調(diào)制波uT進行比較，在梯形波大于三角波的部分產(chǎn)生正脈沖，小于部分產(chǎn)生零脈沖，用這樣的TPWM控制法，對三相電流型逆變器的直流電流源分別在開關(guān)TVA、TVB、TVc上進行TPWM控制，就可以保證換流在相鄰相之間自動準確地進行，并保證使直流電流源Id兩端的輸出電流Id=IdA+IdB+IdC穩(wěn)定不變。

兩組相位相差180 o的載波三角波的波形

　　三相梯形調(diào)制波uTA、uTB uTC與兩組載波三角波uC和uC'切換位置的對應關(guān)系如圖3所示。各相均須按照梯形波的周期，交替地進行切換。

三相梯形調(diào)制波uTA、uTB uTC與兩組載波三角波uC和uC'切換位置的對應關(guān)系

　　對于圖l所示的三相基本TPWM直流電流源逆變器中的電流源Id，采用上述的TPWM控制得到的各相直流電電流IdA、IdB、IdC和Id的工作波形，如圖4所示。由此工作波形圖可以看出：逆變器的換流是在相鄰相之間進行的。例如在圖4中區(qū)間A的t1～t5期間，電流是在A、C相之間轉(zhuǎn)換；在區(qū)間B的t6～t10。期間，電流是在B、C相之間轉(zhuǎn)換；在區(qū)間C，電流是在A、B相之間轉(zhuǎn)換；在區(qū)間D，電流又回到在A、C相之間轉(zhuǎn)換……。

三相基本TWPM直流電流源逆變器的工作波形

　　電流轉(zhuǎn)移的方向如圖4中的箭頭所示。這樣，三相的GT02H橋直流電流源的直流電流波形如圖4中的IdA、IdB、Idc所示，都得到了TPWM調(diào)制。其中每一相的TPWM直流電流波形，就像是單相全波整流器輸出電壓的TPWM電流波形。此波形的基波過零點為零電位。因此經(jīng)過其后面的GT02H橋的ZCS同步逆變，就可以得到三相基本TPWM直流電流源逆變器的三相交流電流iA、iB、iC的輸出。由于GT02H橋逆變器是工作在ZCS狀態(tài)，故可以選用廉價的低頻開關(guān)器件如GTO或SCR等。

　　三相基本TPWM直流電流源逆變器的控制電路示意圖如圖5所示，圖中核心部分有四個，即三相梯形波發(fā)生器、兩組載波三角波發(fā)生器、兩組載波三角波切換電路和梯形調(diào)制波與載波三角波進行比較產(chǎn)生驅(qū)動脈沖的比較器，其中兩組載波三角波切換電路是電流型TPWM逆變器特有的。在圖5中，由于調(diào)節(jié)逆變器輸出電流是通過控制電流源的整流電壓來實現(xiàn)的，故在圖中沒有畫出。

三相基本TPWM直流電流源逆變器的控制電路示意圖

　　這里應當指明的一點是，影響TPWM調(diào)制模式的參數(shù)有兩個：一個是調(diào)制度M=UT／Uc，另一個是載波比F=ωC／ωT為3的倍數(shù)，一般令M=1，F(xiàn)≥9。F越大對輸出電流波形的改善效果越好，但同時要求開關(guān)管的開關(guān)速度越來越快，成本也越來越高。

　　2 N個三相基本TPWM直流電流源逆變器的并聯(lián)疊加

　　三相基本TPWM直流電流源逆變器的并聯(lián)疊加，是把N個如圖1所示的三相基本TPWM直流電流源逆變器中各相TPWM直流電流源，按照A、B、C三相分別直接并聯(lián)疊加，而后再通過各相的GT02H橋進行同步逆變而得到三相交流電流輸出的一種三相TPWM直流電流源級聯(lián)式多電平逆變器。A相N個TPWM直流電流源直接并聯(lián)疊加的電路，如圖6所示。這種逆變器的特點是把級聯(lián)疊加和TPWM控制，從逆變器的開關(guān)移到了直流電流源TPWM控制開關(guān)VTAl、VTA2……VTAN上進行。這種改革給級聯(lián)式多電平逆變器帶來了很多優(yōu)點：減少了開關(guān)管的數(shù)量；減少了TPWM等效總開關(guān)次數(shù)；使逆變開關(guān)工作在zCS狀態(tài)；利用廉價的低速開關(guān)器件如GTO或scR等；提高了逆變效率；降低了制造成本；非常適合于7～l 5電平大功率電流型逆變器使用。這是我們近期新開發(fā)的一種新型電流型多電平逆變器。這種多電平逆變器輸出電流的m=2N+l，要得到這樣的交流電流波形輸出，圖6中各個直流電流源控制開關(guān)VTA1、VTA2、VTAN的TPWM控制，必須采用同一個A相梯形波μTA作為調(diào)制波，兩組載波三角波μc1～μcN；μcl’—μcN必須依次滯后2丌／N相位角，以使IdA1、IdA2……IdAN具有相同的基波電流，便于級聯(lián)疊加。

A相N個TPWM直流電流源直接并聯(lián)疊加的電路

　　用N=4個三相基本TPWM直流電流源逆變器并聯(lián)級聯(lián)疊加的三相9電平逆變器的原理電路，如圖7所示。四個直流電流源的電流Id1=Id2=Id3=Id4，通過各自的TPWM控制開關(guān)VTAl、VTA2、VTA3、VTA4對電流進行TPWM控制，它們的載波三角波uC1、uc2、uc3、uc4和ucl’、uc2’、uc3’、uc4’依次滯后2丌／4相位角，并共同采用同一個A相梯形波uTA作為調(diào)制波進行調(diào)制，得到各電流源的TPWM輸出電流IdA1、IdA2、IdA3、IdA4。IdA=IdA1+IdA2+IdA3+IdA4就是A相輸出到GT02HA逆變器上的直流輸入電流源電流，此電流是一個類似于單相全波整流電壓波形的直流TPWM波形如圖7中的波形所示。然后對這種直流電流源電流通過后面的GT02HA橋進行同步逆變后，就可以得到9電平TPWM A相交流電流iA輸出。三相交流輸出電流中的B相和C相的工作原理和輸出電流波形，與A相相同。

　　該多電平逆變器的控制電路如圖8所示。這是一種原理示意圖，它主要由圖5所示的4個控制電路組合而成的，其中最重要的是兩組載波三角波uC和uC’的切換電路，它是保證實現(xiàn)相間TPWM控制準確換流的關(guān)鍵。

多電平逆變器的控制電路

　　3 N個三相基本TPWM直流電流源逆變器并聯(lián)疊加的特點與開發(fā)前景

　　原始的120。方波電流型逆變器，存在著輸出電流波形差，波形中含有較多奇次諧波，這對電動機會產(chǎn)生很不利的影響，而采用N個三相基本TPWM直流電流源逆變器并聯(lián)疊加，可以極大限度地改善輸出電流的波形，使諧波含量大大減少。

　　N個三相基本TPWM直流電流源逆變器并聯(lián)疊加，是根據(jù)文獻介紹的直流電源PWM級聯(lián)式多電平逆變器，通過電壓型一電流型逆變器的對偶性開發(fā)出來的，因此兩者具有相同的電路結(jié)構(gòu)型式，輸出電流(壓)都比較接近于正弦，都可以不用輸出交流濾波器，都具有較快的動態(tài)反應速度，都是使用元器件數(shù)量最少，開關(guān)損耗最少，逆變效率最高，造價最低的一種多電平逆變器。只不過一個是電壓型多電平逆變器，另一個是電流型多電平逆變器而已。也正是由于這個差異，就使兩者之間出現(xiàn)了如下的不同特點：電壓型多電平逆變器要用疊加二極管和反饋二極管，采用的是SPWM控制；而電流型多電平逆變器不用疊加二極管和反饋二極管，使電路更為簡化，但必須采用TPWM控制，而不能采用SPWM控制，以保證相間準確換流，和電流源輸出電流的穩(wěn)定不變。

　　三相基本TPWM直流電流源并聯(lián)疊加多電平逆變器，是經(jīng)過我們長時間的研究最新開發(fā)出來的一種新型電流型多電平逆變器，其特點是托級聯(lián)疊加和TPWM控制從逆變器中分離出來，移到直流電流源TPWM控制開關(guān)上實現(xiàn)，以達到減少開關(guān)器件數(shù)量、減少開關(guān)損耗的目的。這種研發(fā)的指導思想，實際是對多電平逆變器進行電路簡化的一種技術(shù)改革，由于這種改革，也使電流型多電平逆變器的性能有了明顯的提高，是當前多電平逆變器研究的一個新的重要的發(fā)展方向。

電路器件比較