两电平和三电平脉冲整流器的比较

1、两电平与三电平的脉冲波形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 PW整流器网侧输出波形,CRHZ 动车组采用了二极管箱位三电平 PWh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,

2、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PWI脉冲整流电路两电平PWM8流器等效电路由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通,则S与S2a、S与S2b不能同时导通和关断,驱动信 号应该互补。PWh整流器网侧输入端电压Uab取值有Udc、0、-Ude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PWM8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

3、，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：工作模式1： SaSb =00或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通,则此时“ 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

4、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）：工作模式3: SaSb =10,等效电路如图2- 4(b)所示，则Uab =Udc。5 0,储存在电感中的能量向 负载Rl和电容Cd释放,电感电流i N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：仔UN-UdcSaSb =01时的电路SaSb =10时的电路在任意时刻,PWMK流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下 ，在不

5、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：Uab i N =Udc i 0又由等效电路的拓扑结构可得：LN dt1 N =UN - i N Rn - UabCdd=ic-dtUdc iRl -i2将式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示两电平PWM8流器的主电路数学模型,其中6为

6、二次滤波电容上的电压。Ln許UN-iNRN- (Sa-SB) UdeCd誉=(Sa-Sb)iNUdcii 2Rl22.2三电平整流器原理三电平二极管箱位PWM8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PW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

7、 PWM8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、0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PWM8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32二9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S“与S2a、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i n的大小随网侧电压Un的变 化而增大或减小。工作模式1:（ Sa

8、, Sb ） = （1，0）,开关管与S2a, S3a和导通，网侧输入电压U等于U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PWM8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PWM8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