三电平逆变器拓扑结构详解

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三电平逆变器拓扑结构详解

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  逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220V,50Hz正弦波)。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱,录像机、按摩器、风扇、照明等。在国外因汽车的普及率较高外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。

  通过点烟器输出的车载逆变是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 到 150W 功率规格。再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器。可使用的电器有:手机、笔记本电脑、数码摄像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、CD 机、游戏机、掌上电脑、电动工具、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救电器等。

  逆变器工作原理

  逆变器是一种DC to AC的变压器,它其实与转化器是一种电压逆变的过程。

  三电平逆变器拓扑结构详解

  逆变器

  转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出,而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电;两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制(PWM)技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器,Adapter用的是UC3842,逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.6~40V,其内部设有一个误差放大器,一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。

  输入接口部分:输入部分有3个信号,12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供,ENB电压由主板上的MCU提供,其值为0或3V,当ENB=0时,逆变器不工作,而ENB=3V时,逆变器处于正常工作状态;而DIM电压由主板提供,其变化范围在0~5V之间,将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端,逆变器向负载提供的电流也将不同,DIM值越小,逆变器输出的电流就越大。

  电压启动回路:ENB为高电平时输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。

  PWM控制器:有以下几个功能组成:内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。

  三电平逆变器拓扑结构详解

  逆变器

  直流变换:由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路,输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作,使得直流电压对电感进行充放电,这样电感的另一端就能得到交流电压。

  LC振荡及输出回路:保证灯管启动需要的1600V电压,并在灯管启动以后将电压降至800V。

  输出电压反馈:当负载工作时,反馈采样电压,起到稳定I逆变器电压输出的作用。

  三电平逆变器拓扑结构详解

  两电平的结构在不断完善与发展之后,专家学者就提出了三电平的结构,这种结构的优点是随着电平数的增多,输出的电流中谐波含量降低。当逆变器工作在低频开关状态下时,开关器件动作少,在相同条件下消耗在开关上的开通和关断能量就减少,相应的使得电压和电流的输出就变大。经过几十年各国学者的不断努力,现在己经形成了几种比较成熟的拓扑结构,都已经形成了各自的应用场合,使得在不同控制要求和条件下,可以选用不同结构的逆变器。

  一、东莞南方水泵分析MPC三电平逆变器拓扑结构

  最早研制成功的多电平逆变器是在Nabae.A提出的模型基础之上改进成的。其主要特点是控制方式采用PWM或是SPWM算法,电路结构采用二极管进行钳位,这种结构简单实用。NPC结构的逆变器为以后各种拓扑结构的逆变器奠定了基础,许多新型的逆变器都是由最初的简单结构演变而来的。

  下图为NPC逆变器的主电路拓扑结构,可以看出在a相上串联了四个开关管,形成了上下不同的桥臂,上下桥臂中不同的开关动作组合是有不同的矢量控制的,定义每相桥臂的输出的三电平的状态分别是P,O,N,以第一相桥臂为例,当Sl,S2闭合时输出高电平状态,同时S3,S4关闭时根据结构可以看出输出电压为0状态,同理可以计算出当S3,S4导通时输出电压为低电平。DX(X=1~6)为钳位二极管,DX1,DX2,DX3,DX4(X=1,2,3,4)是续流二极管。对于n电平钳位式逆变器所需要的分压电容为(n-1),开关管的个数是电容个数的两倍即2(n-l),通过三个桥臂的不同开关管的导通与关断,很容易得到三相电路。

  图1:NPC三电平逆变器拓扑结构

  三电平逆变器拓扑结构详解

  每个桥臂的三种开关状态P,N,O,如果用功率器件的导通来表示1,断开用0表示,那么每相桥臂的组合状态为:[1100],[0110],[0011],减少功率器件的耐压不均匀现象,在开通关断过程中要经过O状态,不可以直接进行P→N状态或是N→P状态,目的是为了防止器件承受高压而烧坏。

  每相桥臂的开关动作按照如下方式进行:首先开通S1和S2,接下来对S2进行关断,保证其完全关断的时候,留有必要的余量,在对S3进行开通,保证S3完全开通后在对S1进行关断处理,其他开关管依次类推,这样的优点是保证在每个开关管开通和关断之后在操作其他器件,能有效防止上下桥臂的直通,导致开关管承受的电压电流值过大而烧毁。

  表1:A相桥臂的开通关断状态

  三电平逆变器拓扑结构详解

  二、NPG三电平逆变器的优缺点

  通过对其工作原理和拓扑结构分析广东南方水泵可以看出该逆变器具有以下优点:

  1)电平数越多,输出电压中的谐波含量越低;

  2)采用脉冲宽度调制时可以减小开关管的通断次数,从而降低功耗提高效率,可以控制无功能量的流动;

  3)back-to-back连接,系统控制简单。

  正是由于这些优点,使得NPC逆变器应用广泛,与其同步发展的控制方法日渐成熟,通过对算法的改进也可以避免和消除部分自身结构带来的缺点,任何一种电路都存在不可避免的缺点,越复杂的电路缺点越多,逆变器也不例外。

  根据南方水泵介绍随着电平数的增加,二极管和电容数量都将增加,由于每个功率器件不能完全一致导通时间并不同步,导致各个开关管承受的电压不同;由于分压电容的存在,不可避免的存在中点电压不平衡问题,使得在硬件设计和控制算法中要做出相应的措施,避免对变频器产生危害影响使用寿命。

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