CN103391019A

CN103391019A - 一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法

Info

Publication number: CN103391019A
Application number: CN2013102852711A
Authority: CN
Inventors: 盛耀欢; 汪雪峰; 陈鸽; 陶利锋
Original assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-11-13

Abstract

一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，该方法针对的对象是二极管箝位式三电平逆变电路，其特征在于：在生成第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的驱动信号的过程中，当识别到开关管从0，0，1，1切换到1，1，0，0，和1，1，0，0切换到0，0，1，1时，向第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的驱动信号中各强制插入一段过渡信号；过渡信号具体对应的状态是：第一开关管关断，第二开关管导通，第三开关管导通，第四开关管关断即0，1，1，0。本发明较好地解决了二极管箝位式三电平逆变电路过零点内外管不均压的问题。

Description

一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法。

背景技术

随着传统能源的日益紧缺，新能源的开发越来越受到人们的关注，太阳能是新能源的重要组成部分。近几十年，太阳能逆变器的发展越来越快，而在开发过程中遇到的问题也越来越多，如今，三电平拓扑被广泛的用于太阳能逆变器中，它具有输出谐波小，效率高等优点。

在三电平逆变器中，典型的二极管箝位式三电平逆变主电路如图1所示，主要包括直流分压电容C1、C2以及二极管箝位式三电平桥臂，该二极管箝位式三电平桥臂包括两箝位二极管D1、D2以及四个开关管分别为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；第一开关管S1的漏极与直流正输入端相连，其源极与第二开关管S2 的漏极连接于b点；第二开关管S2的源极与第三开关管S3漏极连接于c点；第三开关管S3源极与开关管S4漏极连接于d点；第四开关管S4源极与直流电源负输入端相连；所述第一开关管S1和第二开关管S2间的连接点b通过箝位二极管D1和直流分压电容C1、C2的串联接点N相连接于a点，第三开关管S3、第四开关管S4间的连接点d通过箝位二极管D2也连接于a点。四个开关管S1、S2、S3、S4中，第一开关管S1和第四开关管S4处于桥臂的外侧，故称为外管，第二开关管S2和第三开关管S3处于桥臂的内侧，故称为内管。四个开关管S1、S2、S3、S4分别由四路驱动信号PWM1、PWM2 、PWM3 、PWM4控制导通。四个开关管S1、S2、S3、S4通常采用场效应管和绝缘栅双极型晶体管IGBT等功率半导体器器件。具体的，在二极管箝位型三电平逆变器输出线电压处于正半周时，第二开关管S2长通和第四开关管S4长断，第一开关管S1和第三开关管S3以互补方式切换导通，即此时四个开关管状态有1，1，0，0和0，1，1，0两种（所述0为开关管关断状态，1为开关管导通状态，以下同）；在二极管箝位型三电平逆变器输出线电压处于负半周时，第三开关管S3长通和第一开关管S1长断，第二开关管S2和第四开关管S4以互补方式切换导通，即此时四个开关管状态有0，0，1，1和0，1，1，0两种。

上述二极管箝位式三电平逆变电路结构简单、容易控制且成本较低，但是在实际工作中，由于功率器件自身寄生电容的影响，会导致三电平电路中内外管承压不均，大大影响了其可靠性。具体分析如下：如图1所示，CD1和CD2为D1和D2的寄生电容，CS1、CS2、CS3、CS4分别为开关管S1、S2、S3、S4的寄生电容；当二极管箝位型三电平逆变器输出线电压从正转为负过零点时，很可能出现1，1，0，0向0，0，1，1变化，即第一开关管S1和第二开关管S2由导通转为断开，第三开关管S3和第四开关管S4则由断开转为导通，线电压从+Udc/2直接跳变为-Udc/2；当第一开关管S1、第二开关管S2导通时，S1、S2压降为0，b、c点电位为UDC，此时二极管D1的寄生电容CD1充电，充电电压为UDC/2，电容电压正负如图1所示；当开关管S1、S2从不承压状态向承压状态切换时，S3、S4从承压状态切换到不承压状态，c点电位变为0V，此时开关管S1、S2的寄生电容CS1、CS2充电，如图1所示，CS1的充电电流为I1，CS2的充电电流为I2；又此时b点电位被拉低，二极管D1上压降小于UDC/2，电容CD1放电，放电电流为I3；由图可知，I2=I1+I3，又

Figure 2013102852711100002DEST_PATH_IMAGE002

，此时充电时间t相等，I2=（I1+I3）>I1，可得US2>US1。（US1为第一开关管S1断开时承受的电压，US2为第二开关管S2断开时承受的电压），所以将会出现内管S2承压过高的现象。

同理，当线电压从负转为正过零点时，四个开关管很可能出现0，0，1，1向1，1，0，0的状态变化，此时电压从-Udc/2直接跳变为+Udc/2，也会出现内管S3承压过高的现象。

发明内容

本发明目的是提供一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，有效的解决三电平桥臂上可能出现的内管和外管承压不均的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，该三电平逆变器包括二极管钳位式三电平逆变电路和控制器，所述的逆变电路包括至少一个二极管箝位式三电平桥臂，所述的二极管箝位式三电平桥臂包括两个箝位二极管以及依次串联的四个开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管；第一开关管和第四开关管位于桥臂外侧定义为外管，第二开关管和第三开关管位于桥臂内侧定义为内管；

定义所述电路的以下两种工作状态：

Ⅰ、第一开关管关断，第二开关管关断，第三开关管导通，第四开关管导通的状态为0，0，1，1；

Ⅱ、第一开关管导通，第二开关管导通，第三开关管关断，第四开关管关断的状态为1，1，0，0；

所述的控制器用于生成第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的驱动信号；

所述三电平内外管均压控制方法的内容如下：

所述控制器在生成四个开关管的驱动信号的过程中，当识别到四个开关管的驱动信号中的上一状态至下一状态的转换将会导致四个开关管状态从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，在四个开关管的驱动信号的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号中各强制插入一段过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间，以该过渡信号替代驱动信号中对应预设持续时间内的原信号状态；

所述过渡信号为对应第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的开关控制信号，该开关控制信号具体对应的状态是：第一开关管关断，第二开关管导通，第三开关管导通，第四开关管关断。

上述技术方案中，所述预设持续时间大于第一开关管和第四开关管的动态响应时间。

上述技术方案中，所述的控制器包括一数字信号处理器和一复杂可编程逻辑器件；数字信号处理器的输出信号作为复杂可编程逻辑器件的输入，复杂可编程逻辑器件接收来自数字信号处理器的信号后生成用于控制四个开关管的驱动信号的下一个状态，并将该下一个状态与驱动信号的上一个状态进行比对，当复杂可编程逻辑器识别到四个开关管的驱动信号的上一个状态至下一个状态的转换将会导致四个开关管从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，复杂可编程逻辑器件在四个开关管的驱动信号的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号中各强制插入所述的过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间，以该过渡信号替代四个开关管的驱动信号中对应的预设持续时间内的原信号状态。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

上述方案中，所述“动态响应时间”是指开关管接收到动作信号到动作的时间。

本发明设计原理以及效果是：本发明是针对二极管箝位式三电平逆变电路在电平切换时可能出现的内管承压过高的问题，控制器在生成第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的驱动信号PWM1-PWM4的过程中，当识别到四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的上一状态至下一状态的转换将会导致四个开关管从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，在驱动信号PWM1-PWM4的下一状态开始时向驱动信号PWM1-PWM4中强制插入一段过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间TS，以该过渡信号替代驱动信号PWM1-PWM4中对应预设持续时间TS内的原信号状态。所述过渡信号具体对应的状态是：第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，即0，1，1，0。以此，二极管箝位式三电平逆变电路桥臂上的四个开关管可能出现的开关状态转变共有以下6种：

0，1，1，0——1，1，0，0；

0，0，1，1——0，1，1，0；

0，0，1，1——0，1，1，0——1，1，0，0；

0，1，1，0——0，0，1，1；

1，1，0，0——0，1，1，0；

1，1，0，0——0，1，1，0——0，0，1，1；

由上述状态转变过程可知，当插入0，1，1，0的开关状态之后，彻底避免了0，0，1，1向1，1，0，0状态的直接变化以及1，1，0，0向0，0，1，1状态的直接变化，线电压不会出现从-Udc/2向+Udc/2或+Udc/2向-Udc/2的跳变，所以不会出现内管承压过高的现象，从而较好地解决了过零点内外管不均压的问题。并且，本发明不涉及硬件的改动，可以减少成本，并有较强的可靠性。

附图说明

图1为二极管箝位式三电平逆变主电路原理图；

图2为本发明实施例三电平内外管均压控制方法的流程图；

图3为本发明实施例所适用的一种单相不对称性结构的二极管箝位式三电平逆变电路原理图；

图4为图3的电路输出的线电压波形以及各开关管的驱动信号波形图；

图5为图4中所对应输出线电压波形从负半周至正半周过零处以及从正半周至负半周过零处的各开关管的驱动信号波形放大示意图；

图6为计算逆变单元输出电压的原理图；

图7本发明所适用的一种三相二极管箝位式三电平逆变电路原理图。

图8本发明中的控制器的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见图1-8所示：

一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，该三电平逆变器包括二极管钳位式三电平逆变电路和控制器，所述的逆变电路包括至少一个二极管箝位式三电平桥臂，所述二极管箝位式三电平桥臂包括两箝位二极管D1、D2以及依次串联的四个开关管：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4。第一开关管S1的漏极与直流正输入端相连，其源极与第二开关管S2 的漏极连接于b点；第二开关管S2的源极与第三开关管S3漏极连接于c点；第三开关管S3源极与开关管S4漏极连接于d点；第四开关管S4源极与直流电源负输入端相连；所述第一开关管S1和第二开关管S2间的连接点b通过箝位二极管D1和直流分压电容C1、C2的串联接点N相连接于a点，第三开关管S3、第四开关管S4间的连接点d通过箝位二极管D2也连接于a点。第一开关管S1和第四开关管S4位于桥臂外侧定义为外管，第二开关管S2和第三开关管S3位于桥臂内侧定义为内管，见图1。

先定义：Ⅰ、第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，第四开关管S4导通的状态为0，0，1，1；Ⅱ、第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断的状态为1，1，0，0。（这个定义原则是将第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4顺序排列，以“0”代表开关管的关断，“1”代表开关管的导通。）

所述三电平内外管均压控制方法的内容如下：

所述控制器在生成四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的过程中，当识别到四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4中的上一状态至下一状态的转换将会导致四个开关管状态从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，在四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4中各强制插入一段过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间TS，以该过渡信号替代驱动信号PWM1-PWM4中对应预设持续时间TS内的原信号状态，则下一状态保持时间内除去预设持续时间TS的其余时间段信号则恢复为原下一状态信号。

过渡信号为对应第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的开关控制信号，该开关控制信号具体对应的状态是：第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断。过渡信号的预设持续时间TS大于第一开关管S1和第四开关管S4的动态响应时间。

如图8所示，所述的控制器包括一数字信号处理器DSP和一复杂可编程逻辑器件CPLD；数字信号处理器DSP的输出信号u作为复杂可编程逻辑器件CPLD的输入，复杂可编程逻辑器件CPLD接收来自数字信号处理器DSP的信号u后生成用于控制四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的下一个状态，并将该下一个状态与驱动信号PWM1-PWM4的上一个状态进行比对，当复杂可编程逻辑器CPLD识别到四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的上一个状态至下一个状态的转换将会导致四个开关管从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，复杂可编程逻辑器件CPLD在四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4中各强制插入所述的过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间TS，以该过渡信号替代四个开关管的驱动信号PWM1-PWM4中对应的预设持续时间TS内的原信号状态。

如图1所示，举例第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4具体采用N沟道场效应管，所以，在第一开关管S1的驱动信号PWM1中插入的过渡信号具体为低电平，在第二开关管S2的驱动信号PWM2中插入的过渡信号具体为高电平，在第三开关管S3的驱动信号PWM3中插入的过渡信号具体为高电平，在第四开关管S4的驱动信号PWM4中插入的过渡信号具体为低电平，过渡信号对应的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的状态为0，1，1，0。

所述三电平内外管均压控制方法的具体执行流程如图2所示，控制器在生成第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的驱动信号PWM1-PWM4的过程中，识别驱动信号PWM1-PWM4的上一状态至下一状态的转换是否将会导致开关管状态从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换，若判断结果为否，控制器不做额外动作，若判断结果为是，则控制器在驱动信号的下一状态开始时强制插入一段过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间TS，以该过渡信号替代驱动信号中对应预设持续时间TS内的原信号状态。

见图1、图4和图5所示，控制器在T1和T2时刻均识别到驱动信号PWM1-PWM4的上一状态至下一状态的转换将会导致第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4将会出现从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换。具体，见图5，图中T为载波周期，在T1时刻之前（即上一状态），驱动信号PWM1-PWM4对应的开关管状态为1，1，0，0，在T1时刻后（即下一状态）本应是0，0，1，1（见图5虚线a处和b处）。就因采用了本方法，在T1时刻（即下一状态的开始之时）插入了一段过渡信号，过渡信号时长为预设持续时间TS，该过渡信号对应开关管状态为0，1，1，0，使T1时刻的状态转变为1，1，0，0——0，1，1，0——0，0，1，1, 也就是先关断第一开关管S1，第一开关管S1的寄生电容CS1先充电电，降低如图1中b点电位，然后再关断第二开关管S2，防止开关管S2两端电压过压；同样，在T2时刻之前（即上一状态），第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的驱动信号对应的开关管状态为0，0，1，1，在T2时刻后（即下一状态）本应是1，1，0，0，就因采用了本方法，在T2时刻（即下一状态的开始之时）也插入了一段过渡信号，过渡信号时长为预设持续时间TS，该过渡信号对应开关管状态为0，1，1，0，使T2时刻的状态转变为0，0，1，1——0，1，1，0——1，1，0，0，也就是先关断第四开关管S4，第四开关管S4的寄生电容CS4先充电，提升如图1中d点电位，然后再关断第三开关管S3，防止开关管S3两端电压过压；从而，彻底避免了0，0，1，1向1，1，0，0状态的直接变化以及1，1，0，0向0，0，1，1状态的直接变化。

由二极管箝位式三电平逆变电路的工作原理决定了：四个开关管S1-S4发生0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的时刻均发生在逆变电路输出的电压从正到负、从负到正的过零点处。

如图3所示，实施例方法用于一种单相不对称性结构的二极管箝位式三电平逆变电路，此电路除一个二极管箝位式三电平桥臂外，还具有一两电平桥臂。该两电平桥臂由第五开关管S5和第六开关管S6组成，第五开关管S5的漏极与直流正输入端相连，源极与第六开关管S6的漏极相连，第六开关管S6的源极与直流负输入端相连。应用了本均压控制方法后，各开关管的驱动信号波形如图4、图5所示。PWM5即是第五开关管S5的驱动信号，PWM6即是第六开关管S6的驱动信号。

如图6所示，采样母线电压

Figure 2013102852711100002DEST_PATH_IMAGE004

，与母线指令电压

Figure 2013102852711100002DEST_PATH_IMAGE006

作差后经过PI调节器计算得到并网电流幅值指令值

Figure 2013102852711100002DEST_PATH_IMAGE008

（母线指令电压由直流母线控制模块给定）。锁相环PLL锁定电网相位

，将幅值指令与sin

相乘后得到并网电流指令值。逆变器的输出电压

被输出滤波电感与电网分压。

与输出电流反馈值

作差后经过PR调节器得到输出滤波电感两端的电压指令值

，再结合采样的输出电网电压

计算得到逆变器的输出电压=+

。定义一电平信号Z0, 电平信号Z0包含了过零点时刻的信息，当逆变器输出电压

为正时Z0为高电平，逆变器输出电压

为负时Z0为低电平，在信号Z0的跳变时刻T1，所述第六开关管S6的驱动信号PWM6立即翻转，而第五开关管S5的驱动信号PWM5延时一个死区时间后再翻转；在信号Z0又一跳变时刻T2，所述第五开关管S5的驱动信号PWM5立即翻转，而第六开关管S6的驱动信号PWM5延时一个死区时间后再翻转，见图4、图5。

应用了本实施例方法，使二极管箝位式三电平逆变电路工作时，二极管箝位式三电平桥臂上的四个开关管S1-S4可能出现的开关状态转变共有以下6种：

0，1，1，0——1，1，0，0；

0，0，1，1——0，1，1，0；

0，0，1，1——0，1，1，0——1，1，0，0；

0，1，1，0——0，0，1，1；

1，1，0，0——0，1，1，0；

1，1，0，0——0，1，1，0——0，0，1，1。

由上述状态转变过程可知，彻底避免了0，0，1，1向1，1，0，0状态的直接变化以及1，1，0，0向0，0，1，1状态的直接变化，二极管箝位式三电平逆变电路输出的线电压不会出现从-Udc/2向+Udc/2或+Udc/2向-Udc/2的跳变，所以不会出现内管承压过高的现象，从而较好地解决了过零点内外管不均压的问题。从而较好地解决了过零点内外管不均压的问题，并且，本发明不涉及硬件的改动，可以减少成本，并有较强的可靠性。

本均压控制方法针对的三电平逆变器电路具体还可为三相二极管箝位式三电平逆变电路，如图7所示，该三相二极管箝位式三电平逆变电路具有三个相同结构的二极管箝位式三电平桥臂。

本均压控制方法还适用于单相对称性结构的二极管箝位式三电平逆变电路。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，该三电平逆变器包括二极管钳位式三电平逆变电路和控制器，所述的逆变电路包括至少一个二极管箝位式三电平桥臂，所述的二极管箝位式三电平桥臂包括两个箝位二极管以及依次串联的四个开关管：第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）及第四开关管（S4）；第一开关管（S1）和第四开关管（S4）位于桥臂外侧定义为外管，第二开关管（S2）和第三开关管（S3）位于桥臂内侧定义为内管；

定义所述电路的以下两种工作状态：

Ⅰ、第一开关管（S1）关断，第二开关管（S2）关断，第三开关管（S3）导通，第四开关管（S4）导通的状态为0，0，1，1；

Ⅱ、第一开关管（S1）导通，第二开关管（S2）导通，第三开关管（S3）关断，第四开关管（S4）关断的状态为1，1，0，0；

所述的控制器用于生成第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）的驱动信号（PWM1-PWM4）；

其特征在于：所述三电平内外管均压控制方法的内容如下：

所述控制器在生成四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）的过程中，当识别到四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）中的上一状态至下一状态的转换将会导致四个开关管状态从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，在四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）中各强制插入一段过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间（TS），以该过渡信号替代驱动信号（PWM1-PWM4）中对应预设持续时间（TS）内的原信号状态；

所述过渡信号为对应第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）和第四开关管（S4）的开关控制信号，该开关控制信号具体对应的状态是：第一开关管（S1）关断，第二开关管（S2）导通，第三开关管（S3）导通，第四开关管（S4）关断。

2.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，其特征在于：所述预设持续时间（TS）大于第一开关管（S1）和第四开关管（S4）的动态响应时间。

3.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器的三电平内外管均压控制方法，其特征在于：所述的控制器包括一数字信号处理器和一复杂可编程逻辑器件；数字信号处理器的输出信号（u）作为复杂可编程逻辑器件的输入，复杂可编程逻辑器件接收来自数字信号处理器的信号（u）后生成用于控制四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）的下一个状态，并将该下一个状态与驱动信号（PWM1-PWM4）的上一个状态进行比对，当复杂可编程逻辑器识别到四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）的上一个状态至下一个状态的转换将会导致四个开关管从0，0，1，1向1，1，0，0切换或从1，1，0，0向0，0，1，1切换的情况时，复杂可编程逻辑器件在四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）的下一状态开始时向四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）中各强制插入所述的过渡信号，该过渡信号持续时间为预设持续时间（TS），以该过渡信号替代四个开关管的驱动信号（PWM1-PWM4）中对应的预设持续时间（TS）内的原信号状态。