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、CRH劭车组主电路 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PWMI流器网侧输出波形,CRHZ动车组采用了二极管箱位三电平 PWMI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两电平整流器原理与数学模型单相电压型两电平Pw取流器主电路如图2— 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 — 2所示简 化等效电路两电平PW脉冲整流电路两电平PWMI流器等效电路由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通，则Sia与S2a、Sib与S2b不能同时导通和关断，驱动信号应该互补PW悭流器网侧卒&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PWMI流器输入端电压Uab 有如下关系 :Uab =（ SASB ） 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: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六个矢量的作用时间短的原因另一方面，网侧电压Un 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=Lndi Ndt工作模式3: SaSb=10,等效电路如图2-4(b)所示，则Uab=UdcUn>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：LN 二^ =UN - UdcdtSaSb =01时的电路 SaSb=10时的电路在任意时刻，PWMe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 o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，网侧用入一电感元件形 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 ~ =Un - i N Rn - Uab dtCddUdc=i0-Uc-i2dt Rl将式(2-7)、(2-8)代入式(2-9),得式(2-10)所示两电平PW悭流器的主电路数学模型，其中5为二次滤波电容上的电压d — — 一LN - — =Un - i N RN - ( SA dtSb) Udc三电平整流器原理CdUdc i-i 2Rl 2三电平二极管箱位PWMI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PWMI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 PWMI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PWMI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329 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Sia与S2a、Sib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UN 的变化而增大或减小工作模式1:(Sa, Sb ) = (1 , 0),开关管Sia与S2a, S3a和S3b导通，网侧输入电压Ua等于Ui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PwMg流器与两电平PWMI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PW悭流器的一半，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PwMS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。