許 驍

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南232001）

三電平ANPC變換器PWM調(diào)制策略及損耗分析

許 驍

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南232001）

文章通過對三電平ANPC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理的分析，得出了其在狀態(tài)切換時(shí)的兩種換流方式，交替使用不同的換流方式可以使三電平ANPC變換器具有較好的功率器件損耗平衡能力，從而克服了傳統(tǒng)三電平NPC開關(guān)損耗不均勻的缺點(diǎn)。根據(jù)所采用的換流方式不同給出了三種PWM脈沖生成方式，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了各種PWM調(diào)制策略的正確性以及其功率器件損耗平衡能力。

三電平ANPC；PWM脈寬調(diào)制；損耗平衡

多電平變換技術(shù)由于其產(chǎn)生的電能質(zhì)量高、較高的電壓容量、較好的電磁兼容和較低的開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，無論是在科研領(lǐng)域還是電力工業(yè)應(yīng)用方面都獲得了極大地關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)更好的性能，在將近三十年的發(fā)展歷程中，許多多電平變換技術(shù)相繼提出，比如多級轉(zhuǎn)換的開發(fā)技術(shù)、多電平中點(diǎn)箝位型（NPC）變換技術(shù)以及飛跨電容型多電平變換器結(jié)構(gòu)。其中中點(diǎn)電壓箝位型變換器已被廣泛應(yīng)用于大功率工業(yè)場合，顯示出了較強(qiáng)的優(yōu)勢，其商業(yè)價(jià)值已被市場所證實(shí)。近年來，圍繞中點(diǎn)箝位三電平變換器研制和性能提升的報(bào)道層出不窮，使三電平NPC變換器的性能逐步走向完善。但是NPC三電平變換器在運(yùn)行過程中功率器件的損耗不平衡，部分器件損耗過大，發(fā)熱嚴(yán)重。這在很大程度上限制了三電平變換器的容量和功率器件開關(guān)頻率的提升。

針對三電平NPC變換器的上述缺點(diǎn)，德國學(xué)者T.Bruckner于21世紀(jì)初首次提出了有源箝位（ANPC）三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其采用開關(guān)器件取代了傳統(tǒng)NPC拓?fù)渲械捏槲欢O管，從而產(chǎn)生了冗余零電壓狀態(tài)輸出。在換流過程中通過合理使用冗余的零電壓狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)功率器件的損耗平衡。根據(jù)這一原理，也出現(xiàn)了多種損耗控制方法，譬如結(jié)溫計(jì)算反饋控制等，本文主要旨在通過對三電平ANPC變換器進(jìn)行合理的PWM調(diào)制來實(shí)現(xiàn)功率器件損耗的相對平衡，并與三電平NPC下的損耗分布作比較。

1.三電平ANPC變換器工作原理

三電平ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。和NPC三電平拓?fù)湎啾?，ANPC拓?fù)洳捎肐GBT模塊代替了原有的箝位二極管。

圖1 三電平ANPC變換器主電路拓?fù)?/p>

1.1 開關(guān)狀態(tài)

與傳統(tǒng)的三電平NPC變換器相比較，有源箝位型變換器具有更多的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)相電壓的零電平輸出。其開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

在三電平NPC變換器中，零狀態(tài)時(shí)的電流通路由相電流的方向決定，且開關(guān)管Tx2和Tx3在零狀態(tài)時(shí)一直處于開通狀態(tài)。而在三電平ANPC中，只要開通開關(guān)管Tx5和Tx2，不論相電流是何種方向，其電流通路總為上通路，同理，只要開通開關(guān)管Tx6和Tx3，其相電流通路總為下通路而不管電流是何種方向。而如果導(dǎo)通了上通路，開關(guān)管Tx4可以開通也可以關(guān)斷，同理，當(dāng)導(dǎo)通了下通路時(shí)，Tx1可以開通，也可以關(guān)斷。即對應(yīng)于OL2，OL1，OU1和OU2四種零狀態(tài)。

表1 三電平ANPC開關(guān)狀態(tài)表

當(dāng)輸出為P狀態(tài)時(shí)，為了保證開關(guān)管Tx3和Tx4上分得的電壓相同，應(yīng)開通Tx6，同樣，當(dāng)輸出為N時(shí)，Tx5應(yīng)該導(dǎo)通。這樣就可以省去內(nèi)部開關(guān)上的平衡電阻。在零狀態(tài)下的導(dǎo)通損耗可以通過選擇不同的通路來控制。而輸出P和N狀態(tài)下的導(dǎo)通損耗不會(huì)受到影響。

1.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換及損耗分析

由上文分析可知，與零狀態(tài)，和之間的轉(zhuǎn)換決定了開關(guān)損耗的分布。而且所有的轉(zhuǎn)換都在一個(gè)有源開關(guān)和一個(gè)二極管上進(jìn)行。即使有多個(gè)開關(guān)動(dòng)作，也只有一個(gè)有源開關(guān)和一個(gè)二極管存在基本的開關(guān)損耗。在轉(zhuǎn)換過程中其它開關(guān)不會(huì)同時(shí)具有電壓降和電流。

P狀態(tài)和0狀態(tài)在負(fù)載電流為正時(shí)有兩種切換方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。兩種切換方式如圖2所示。

圖2 P和0狀態(tài)在負(fù)載電流為正時(shí)的切換方式

在方式1中，T1和T5存在開關(guān)切換，既有導(dǎo)通損耗，又有開關(guān)損耗，T2只有導(dǎo)通損耗。而在方式2中，T2和T3存在開關(guān)切換，既有導(dǎo)通損耗，又有開關(guān)損耗，T1和T6只有導(dǎo)通損耗。P狀態(tài)和0狀態(tài)在負(fù)載電流為負(fù)時(shí)也有兩種切換方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。兩種切換方式如圖3所示。

圖3 P和0狀態(tài)在負(fù)載電流為負(fù)時(shí)的切換方式

在方式1中，D1和T5存在開關(guān)切換，既有導(dǎo)通損耗，又有開關(guān)損耗，D2只有導(dǎo)通損耗。而在方式2中，D2和T3存在開關(guān)切換，既有導(dǎo)通損耗，又有開關(guān)損耗，D1和D6只有導(dǎo)通損耗。同理，N和0狀態(tài)之間的切換與之類似。三電平ANPC變換器開關(guān)損耗分布如表2所示。

表2 三電平ANPC變換器開關(guān)損耗分布

2.PWM調(diào)制策略及仿真驗(yàn)證

第一種SPWM調(diào)制方式如圖4所示，它采用采用換流方式1進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)參考調(diào)制電壓為正時(shí)，采用P←→OU1換流方式；當(dāng)參考電壓為負(fù)時(shí)，采用N←→OL1換流方式。開關(guān)器件T1、T4、T5、T6以開關(guān)頻率在動(dòng)作，而T2、T3以調(diào)制電壓頻率在工作。

圖4 PWM調(diào)制策略1

對三電平ANPC變換器在PWM調(diào)制策略1下進(jìn)行仿真分析，采用、的阻感性負(fù)載，調(diào)制度為1，仿真參數(shù)如表3所示，后面的仿真條件都與此相同。仿真波形如圖5所示。

表3 PWM調(diào)制策略仿真電氣參數(shù)

通過仿真驗(yàn)證了PWM調(diào)制策略1的可行性。并且可以直觀的看出，開關(guān)器件T2在參考電壓為正時(shí)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，以調(diào)制電壓頻率工作，而T1和T5在參考電壓為正時(shí)存在開關(guān)切換，以開關(guān)頻率工作。

圖5 PWM調(diào)制策略1下的仿真波形

第二種SPWM調(diào)制方式如圖6所示，它采用換流方式2進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)參考調(diào)制電壓為正時(shí)，采用P←→OL2換流方式；當(dāng)參考電壓為負(fù)時(shí)，采用N←→OU2換流方式。開關(guān)器件T2、T3以開關(guān)頻率在動(dòng)作，而T1、T4、T5、T6以調(diào)制電壓頻率在工作。其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 PWM調(diào)制策略2

圖7 PWM調(diào)制策略2下的仿真波形

圖8 PWM調(diào)制策略3

通過仿真驗(yàn)證了PWM調(diào)制策略2的可行性。并由波形可以直觀的看出T2管工作在開關(guān)頻率狀態(tài)，而T1和T5工作在調(diào)制電壓頻率狀態(tài)。值得注意的是在參考電壓為正時(shí)T1電流波形有為零的狀態(tài)，這與T1在參考電壓為正時(shí)一直導(dǎo)通并不沖突，因?yàn)門1電流為0不是由T1關(guān)斷引起的。

圖9 PWM調(diào)制策略3下的仿真波形

第三種SPWM調(diào)制方式如圖8所示，它在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將P狀態(tài)和N狀態(tài)分成兩半，兩邊分別采用不同的O狀態(tài)，使功率器件的損耗比較均勻。在一個(gè)周期內(nèi)大多數(shù)開關(guān)器件都在工作，也說明了此方法中各功率器件的損耗更加平均。其仿真結(jié)果如圖9所示。

觀察PWM調(diào)制策略3下輸出電壓的波形可以發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓的頻率是開關(guān)頻率的兩倍，因此PWM調(diào)制策略3也被稱為自然倍頻PWM方法。而開關(guān)器件T1、T2、T5都工作在開關(guān)頻率狀態(tài)。同樣注意T1管的電流波形，與其開關(guān)頻率并不矛盾。

3.開關(guān)損耗比較與分析

為了驗(yàn)證三電平ANPC變換器的損耗平衡能力，分別計(jì)算了3L-NPC變換器和3L-ANPC變換器在PWM調(diào)制策略3下的各開關(guān)損耗，如表4所示。其3L-NPC變換器和3L-ANPC變換器電氣參數(shù)都如表3所示。用柱狀分布圖表示如圖10所示。

表4 兩種變換器的損耗計(jì)算

從以上兩種變換器的損耗分布比較分析可以看出，ANPC三電平變頻器中功率器件的最大損耗明顯低于NPC中的最大損耗，且功率器件的損耗分布更加均勻，但總損耗并不會(huì)減少。

4.總結(jié)

本文首先介紹了三電平ANPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理，并著重分析了與0狀態(tài)之間的兩種環(huán)流方式，得出了其能實(shí)現(xiàn)損耗平衡的可能性。進(jìn)而介紹了三種PWM調(diào)制策略，并通過Matlab仿真得到了驗(yàn)證。尤其是第三種調(diào)制策略通過交替使用兩種環(huán)流方式，從而具有功率器件損耗平衡能力。最后通過計(jì)算3L-NPC變換器和3LANPC變換器下的損耗及分布，證明了三電平ANPC在損耗平衡方面的優(yōu)勢。

TM 464

：A

：1671-752X（2013）04-0075-04

2013-10-14

許驍（1994-），男，安徽黃山人，安徽理工大學(xué)學(xué)生。