两电平和三电平脉冲整流器的比较

电牵二班

徐刚堂

代思瑶

两电平与三电平的脉冲波形比较

我国引进的时速200公里动力分散型交流传动动车组中,CRHI、CRHS动车组主电路均采用了两电平全桥整流电路。为了降低开关管的电压应力和改善PWM整流器网侧输出波形,CRHZ动车组采用了二极管箱位三电平PWM整流器电路结构。下面主要对这两种电路拓扑的工作原理及数学模型进行分析和研究。 1.1两电平整流器原理与数学模型

单相电压型两电平Pwm整流器主电路如图2一1所示,网侧漏感L二起传递和储存能量,抑制高次谐波的作用;支撑电容Cd起抑制高次谐波,减少直流电压纹波的作用;电感LZ和电容CZ形成串联谐振电路,用于滤除电网的2次谐波分量。把开关器件(这里采用IGBT)视为理想开关元件,定义理想开关函数S,和S,,从而得到如图2一2所示简化等效电路。

两电平PWM脉冲整流电路 两电平PWM整流器等效电路 由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通,则S1a与S2a、S1b与S2b不能同时导通和关断,驱动信号应该互补。PWM整流器网侧输入端电压Uab取值有Udc、0、-Udc三种电平,有效的开关组合有22=4种,即S,S,=00、01、10、11四种逻辑,则PWM整流器输入端电压Uab有如下关系:

Uab=（SASB）Udc

则由式(2一2),系统的瞬时等值电路如图2一3所示

瞬时等值电路

由图2- 3可见,通过不同的控制方法适当调节“Uab的大小和相位,就能控制输入电流的相位以控制系统功率因数;同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量,也就控制了直流侧输出电压。因此,通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。此等值电路的电压矢量平衡方程为: 对应于四个开关的不同工作状态,电路共有以下三种工作模式:

SASB=00或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通,则此时工作模式1：“Uab=0,电容Cd向负载供电,直流电压通过负载形成回路释放能量,直流电压下降,因此,

为了保证直流侧电压的稳定,工作模式1的导通时间比较短,这也是在空间电压矢量调制中,两个零矢量的作用时间要比其他六个矢量的作用时间短的原因。另一方面,网侧电压UN二两端电压直接加在电感LN上,对电感LN充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下(忽略等效电阻的影响):

UN=LNdiN dt工作模式3: SASB=10,等效电路如图2- 4(b)所示,则Uab=Udc。UN>0,储存在电感中的能量向负载RL和电容Cd释放,电感电流iN下降,一方面给电容充电,使得直流电压上升,保证直流电压稳定,同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路;另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢量平衡方程如下:

LNdiN=UN-Udc dtSASB=01时的电路 SASB=10时的电路 在任意时刻,PWM整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下,在不同的时区,通过对上述3种开关模式的切换,保持直流侧负载电压的稳定和负载电流i。的双向流动,也即实现能量的双向流通。由图2-1所示主电路结构可知,网侧串入一电感元件形成Boost电路的拓扑结构,使得直流侧输出电压大于网侧电压峰值。假设开关管为理想模型,在换相过程中没有功率损失和能量储存,则交流侧与直流侧瞬时功率应当相等。即:

UabiN=Udci0 又由等效电路的拓扑结构可得:

LNdiN=UN-iNRN-Uab dtCddUdcU=i0-dc-i2 dtRL将式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示两电平PWM整流器的主电路数学模型,其中U2为二次滤波电容上的电压。

LNdiN=UN-iNRN-（SASB）Udc dtCddUdcU=（SASB）iN-dc-i2 dtRL2.2三电平整流器原理 三电平二极管箱位PWM整流器拓扑如图2-5所示,它采用8个功率开关器件(这里采用IGBT)构成两组对称的桥臂。每一桥臂有4个开关管,其中直接连到正负直流母线上的2个开关管称之为主开关管,中间的2个开关管称之为辅助开关管。两组桥臂各带2个箱位二极管,以防止电容CL或CZ因开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由2个同样的电容串联组成,这样就可以提供一个中性点,连接到中性点上的2个箱位二极管可以把PWM整流器的电压箱位到中性点电位,因此该整流器也称为中点箱位PWM整流器.

为了便于分析电路,首先根据开关管不同的工作状态,定义电路的三种工作状态:1态、O态、-1态(假设两电容上的电压相等),以左半桥为例: 根据每种不同情况我们可以等效电路为：

二电平二极管箱位PWM整流器开关等效电路图

由开关等效电路可知,每组桥臂可以等效为一个开关,该开关具有1、0、一1三种等效状态,两组桥臂有32 9种开关关组合,主电路有9种工作模式。 工作模式0:(SA,SB)=(1,1),开关管S1a与S2a、S1b与S2b导通,整流器交流侧被短路,网侧输入电压Ua等于0,电容CL、 CZ通过直流侧负载放电,网侧电流iN的大小随网侧电压UN的变化而增大或减小。

工作模式1:( SA,SB)=(1，0),开关管S1a与S2a,S3a和S3b导通,网侧输入电压

Ua等于U1网侧漏感电压等于UN-UN电容q上的电压被正向(或反向),电流充电(或放电),电容CZ通过直流侧负载放电。 在此举两个工作模式，剩下见开关表

根据SA、SB的不同组合，可以得到不同的五个电平：

根据以上的原理分析可知,三电平PwM整流器与两电平PWM整流器相比,具有很多优点:

1.每个功率开关器件所承受的电压峰值只有两电平PWM整流器的一半,降低了功率开关管的电压应力,较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。

2.在相同的开关频率及控制方式下,由于电平数的增加,三电平PwM整流器的网侧电流波形比两电平中的正弦性要好,且电平数越多,电流越接近正弦,可以获得更好的频谱特性和动态性能。

3.输出电压为5个电平的阶梯波,相对于两电平的3个电平,输出波形阶梯增多,各级间的幅值变化降低,可更加接近正弦波;电压脉动小,降低了输出电压的跳变,减小对负载和本身的损害;输出电压谐波含量减少,对外围电路的干扰减小。 但是这种三电平结构也有它固有的不足之处:

1.因为不同管子的开关时间不同,器件所需额定电流不同。 2.电容均压问题:这是制约其应用的最大障碍之一。直流侧电容由于一个周期内电流的流入和流出可能不同,使某些电容总在放电,而另一部分总在充电,使得电容电压不均衡,对整个系统工作不利。

3.需要较多的箱位二极管.

两电平仿真模型 两电平Un、In波形 两电平Ud、Id波形 两电平Uab 两电平Udc

三电平仿真模型 三电平Un、In波形 三电平Ud、Id波形 三电平Uab