基于阻抗源的多电平逆变器拓扑结构分析与仿真

工程科学与技术，国际期刊21（2018）869完整文章基于阻抗源的开关电容多电平逆变器Manjunatha Budagavi Matama，Ashok Kumar Devarasetty Venkatab，Vijaya Kumar Mallapuaa印度Anantapuramu 515002贾瓦哈拉尔·尼赫鲁科技大学电气工程系b电子电气工程系，RGMCET，Nandyal 518501，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年11月1日收到2018年6月20日修订2018年8月4日接受2018年8月11日在线提供保留字：脉宽调制逆变器自电压平衡电路电压控制电路仿真总谐波失真A B S T R A C T近年来，许多多电平逆变器（MLI）的拓扑结构被提出，减少了开关的数量和控制的复杂性。本文提出了一种基于阻抗源的MLI结构，具有附加升压的能力。建议的拓扑结构需要一个源，一个阻抗网络并且与最近报道的逆变器文献相比减少了开关的数量。由于采用了自电压平衡电路（SBC），实现了1.5倍的固定升压和所有电容两端的电压相等。通过在输入源和SBC之间放置阻抗网络来获得额外的升压。建议的逆变器与现有的拓扑结构进行比较，就一些来源，一些阻抗网络，控制开关，电压平衡和升压能力。采用一种简单的基于电平移位的正弦脉宽调制技术产生门脉冲。进一步的理论分析和计算机模拟结果与实验结果进行了验证。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍新型MLI拓扑由于具有许多传统逆变器无法比拟的优点，在电力电子领域有着重要的发展。传统的两电平逆变器在满足目前的情况下面临着困难。最流行的传统MLI结构是：二极管箝位MLI（DCMLI）、飞跨电容MLI（FCMLI）和级联H桥MLI（CHMLI）[1在DCMLI中，（n-1）个电容器被用作分压器，跨这些电容器的电压不平衡是一个严重的问题。此外，本发明还它需要（n-1）（n-2）个箝位二极管。对于FCMLI，需要（n-1）（n-2）/2个大容量电容器。在CHMLI中，每个H桥需要单独的源，每个桥产生三个电平。这些H桥串联连接，用于产生输出电压中所需的电平数，其中n是输出波形中的电平数。许多MLI拓扑被提出来解决传统MLI的缺点。近年来的焦点是：增加输出的电平数与不对称电压源的报告[4这些逆变器需要更多*通讯作者。电子邮件地址：manjunath. gmail.com（M. Budagavi Matam）。由Karabuk大学负责进行同行审查。而不是一个具有不同电压幅度的源。为了获得不同的电压，使用不同匝数比的变压器。 不对称MLI需要具有不同幅值的DC源和不同额定值的开关。通过减少开关[4，7为了减少输入源的数量，串联连接的电容器被用作分压器。为了在所有直流链路电容器上实现电压平衡，使用了单独的反馈电路[13，14]。由于这种方法，逆变器电路将变得复杂。对 于 传 统 的 或 基 于 Transformer 的 MLI 由 于 电 路 中 存 在Transformer，成本和损耗增加在上述拓扑中，最大可用电压受输入或DC链路电压限制。在光伏系统、电动汽车、动态电压恢复器等应用中，需要升压和降压操作[19]。为了满足这一要求，通常使用DC-DC转换器或Z源逆变器（ZSI）如果DC-DC转换器或Z源网络与MLI集成，则需要跨每个源[20]单独的DC-DC转换器或Z网络。这导致尺寸和成本增加。本文提出了一种改进的MLI拓扑，它解决了传统逆变器的缺点，最近报道https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.08.0032215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch870M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869逆变器所提出的系统由单个直流源和单个阻抗网络组成，以实现升压操作。采用一组串联电容器作为分压器，无需任何反馈电路。为了克服不对称电压的限制，使用简单的自电压平衡技术[21]来保持DC链路电容器两端的电压相等。本文的其余部分组织如下。在第2节中，工作，ING建议的拓扑结构以及操作模式进行了解释。第3节涉及扩展的拟议结构。整个逆变器电路的分析将在第4节中讨论。详细比较见第5节。模拟和实验结果显示在第6节，然后在第7的结论。2. 提议拓扑图1所示的拟议拓扑结构由两部分组成。第一部分是自电压平衡电路（SBC），由电容器C1第二部分是由电平发生开关S5第一部分的工作过程如图2所示。SBC中使用的开关组1由SC1、SC3和SC5组成，组2由SC2、SC4和SC6组成。SBC以两种模式运行。在模式I中，组1开关被选通，并且在模式II中，组2开关被选通。门脉冲应该发展成这样Fig. 1. 建议拓扑。图二. SBC的操作模式。(a)模式1和（b）模式2。M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）86987122当组1开关接通时，组2开关断开，反之亦然。在这个过程中，所有电容器都被充电到输入电压的一半。模式- I操作如图所示. 2（a）. 在此模式下，C1与C3平行，C2与C4平行。因此，VC1=VC3，VC2=VC4.在模式II中，如图2（b）所示，C1与C4平行，C2与C5平行。因此，VC1=VC4，VC2=VC5.由于第1组和第2组开关分别在模式I和模式II中周期性地导通和关断，导致第1部分中使用的所有电容器两端的电压相等，即，所有电容器被充电到输入电压的一半。图3示出了电平生成电路。所提出的拓扑结构需要（1/2）（n-1）级生成开关。 为了产生每个电平，如图3（a）、（b）和（c）所示，接通一个电平产生开关。所有的电平产生开关以及SBC部分将synn- thesize平衡的正阶跃波形跨越H桥如图3（d）所示。为了在输出中产生正和负电平，使用H桥逆变器两端的峰值电压在（1）和（2）中给出。VSBC¼VC3VC4VC51But，VDC<$VC3<$VC4<$VC5VSBC 1/3 ×VDC3VSBC¼×V（单位：102mA）其中，VDC<$1×Vin因此，逆变器两端的峰值电压被提升到输入电压（2）的1.5倍。3. 拟议的带有额外助推器的图4示出了所提出的MLI的电路配置，称为用于单相电路的基于阻抗源的开关电容器MLI（ISSCMLI）。扩展结构由三部分组成，第一部分由单个电压源和阻抗网络组成，第二部分是电压平衡电路，第三部分是H桥电平发生器SBC单独是能够给荷兰国际集团的1.5倍的输入电压和额外的升压恒定升压实现阻抗网络。图三.液位发生开关的操作模式。（一）.打开下部开关（S7），产生+ Vin/2，（b）。中间开关（S6）打开，产生+ V输入（c）。顶部开关（S5）打开，产生+3Vin/2和（d）。逆变器两端的正阶跃波形。见图4。 扩展拟议结构。872M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869××2××2¼BΣΣð Þ ¼ ðÞ具有阻抗源网络的逆变器将在三种状态下运行[22]。状态1是空状态，在该状态下电容器从源电压充电。状态2是直通状态，在该状态下阻抗网络被短路。电容器CZ1和CZ2将存储的能量分别释放到电感器LZ1和LZ2。状态3是活动状态，在这种状态下，所提出的电路作为正常逆变器操作，但逆变器两端的电压升高。阻抗网络的输出电压由下式给出4.3. DC链路电压逆变器两端的电压为正阶跃波形。随着' 0 0电压，在每个四分之一周期中产生4个阶跃。每一步的幅度由下式给出：Va1b1-S5V ×31VZSI 2.5 VVZSI 1VL-V输入ð3ÞVa2b1 -S6V ×21VZSI 8V传统阻抗源逆变器（B）由（4）给出1Va3b1-S7×1×2×VZSI19VB11- 2×Dshð4ÞSj= 0，当相应开关接通时; = 1，当相应开关断开时给出了H桥两端电压的一般表达式所建议的具有阻抗网络的拓扑结构的升压因子，并且SBC（B0）由（5）1给出B01/4：5×B1/5×B 2 ×峰值输出（Vb）电压由（6）给出V¼B0Vin106mA其中：Dsh是直通占空比，VL是电感两端的电压，Vin是输入电压。在所提出的电路中，通过在一个开关周期内导通开关Ssh持续非常短的持续时间来产生直通。简单的升压技术[23，24]用于产生开关频率为1000Hz的直通脉冲。4. 拟议逆变器VaJ-4Vb1-SJ× 8-J×2×VZSI 10J= 5、6和7。4.4. 总开关损耗半导体中的损耗发生在三个瞬间：当开关处于阻断模式时，开关导通，开关从导通变为关断或从关断变为导通。关断状态损耗微不足道，因此被忽略[26]。考虑了双稳态和开关过程中的损耗4.4.1. 传导损耗在所提出的拓扑中，电流路径中的设备的数量总是3，即，两个来自H桥，一个来自电平发生器（不包括电容平衡电路）。二极管和开关的瞬时损耗由下式给出：在本节中，报告了以下方面的逆变器分析：脉冲产生、开关两端的电压应力、DC链路电压、开关损耗和电路参数的设计Pcond;D 1/2V on;D[]4.1. 调制技术为了产生七电平输出，使用三个相位配置载波以及具有频率的正弦参考波50 Hz。所有三个载波信号都同相，具有相同的频率和幅度，具有电平偏移。为了产生用于阻抗网络的直通脉冲，将恒定信号与载波信号进行比较。当载波幅度超过常数时，Pcond;T¼Von;Tt RTIat It 12其中，Von，D、Von，T和RD、RT分别是二极管和开关的导通状态电压降和导通状态电阻，并且a是与开关特性相关的常数。假设逆变器的输出电流是正弦的。I t我是罪恶xt在H桥结构中，二极管将在半个周期内导通100拉德，并且在（p-100）开关导通的周期内导通。传导损耗推导如下获得了击穿脉冲的一组脉冲被生成，P1 .一、Z/Vt R I t吨载重吨Zp. V/t R IatItdwt通过比较载体与参考和生成的脉冲在施加到各自的开关。图5（a）示出了PWM生成，图5（b）示出了栅极脉冲。第二个¼ p0甲磺酸钠1（R D I2.1Σð ÞðÞð13Þ4.2. 每个开关P条件¼pVon;D tZ/-2罪2/）图6示出了调制指数（Ma）= 1的提议电路的所有开关上的电压应力。对于所有钳位开关，阻断电压为VZSI的50（阻抗网络的输出电压）。开关S5、S7和S1Von;T4.4.2. 开关损耗唱一首歌，/ð14 Þ到S4必须阻断100%，S6必须阻断50%的VSBC（SBC的输出电压）。器件额定值根据阻断电压选择。最后，阻断电压将取决于所需的最大升压。为了评估开关损耗，首先计算一个开关中的开关损耗，然后将相同的分析扩展到所有开关。为了计算一个器件中的开关损耗，开关瞬间的电压和电流的线性近似为pM. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869873图五. (a)PWM逻辑(b)开/关脉冲。874M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869见图6。 开关上的阻断电压考虑了开关在导通期间的功率损耗计算如下其中，Ton、VTr和I是开关的接通时间、开关两端的电压和开关接通时流过的电流分别。ZT开启P在¼0ZT打开。.VTr：t.0不在我不知道不在VTr：I：T开启¼6ð15 Þ见图7。 所需开关设备的数量见图8。所需的直流母线电容器数量见图9。 所需飞跨电容器数量见图10。 所需夹紧装置的数量vtitdt-dðtÞM. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869875;.Σ¼2 ×300100- 200×100开关关断期间的功率损耗计算如下VZSI1V在 1/4 - 2Dsh18mmPZToffvt i t dtZT关闭。.VTr：t.我不-我不去最大（Dsh，max）和最小（Dsh，min）值关闭 ¼0ð Þ ð Þ ¼0Toff-T关闭基于最小和最大值来评估直通占空比阻抗网络所需的输出电压，使用公式：（1）：VTr：I：T关闭¼ð16ÞD1Vin6其中Toff和I是器件关闭的时间段和关闭期间的电流。器件中的平均开关损耗由下式给出：1sh¼2- 2×VZSID shmax¼1-10020：33P sw¼ 2：f：.P打开，P关闭，1/3 fI。TonToff：VTr17Dsh min1 100¼0其中f是开关频率。使用上述关系来评估单个功率开关中的开关和导通损耗。4.5. 电路元件4.5.1. 阻抗电路参数IS网络的输入输出电压关系击穿占空比的最大值和最小值分别为0.33和0.0。根据导通占空比的最大值，设计了阻抗网络的L值和C值。4.5.1.1. 阻抗网络中电感的设计。阻抗网络中使用的电感器（Lz1和Lz2）被评估为，击穿占空比（Dsh）的项由下式给出：LZ¼LZ11/4LZ2Dsh;max×Vcð19 Þ表1ISSCMLI和其他拓扑结构所需组件数量的比较。主二极管2n-1 2n-12n-ðnþ3Þnððnþ7Þ÷2Þþ2夹紧装置0 0 0 0 02n-2 n-1 n箝位二极管2019-01- 2200 002019-03-22 00飞跨电容器0电话：+86-10- 888888880 0 02019年12月20日1992年直流母线电容器10n-10 n2000年1月1日2017年12月20日ðn-3Þ÷2直流电源1 11992年1992年1992年1 1 1阻抗网络00001992年011电压平衡贫困中度NANANA完美NA完美DC链路电压=输入电压=输入电压=输入电压=所有输入的总和=2VL-Vin= 1.5倍输入电压=2VL-Vin= 1.5（2VL-Vin）见图11。 输入电压和阻抗网络上的电压。[1]第一章[二]《中国日报》[3]第一章[9][20个][21日][25日]ISSCMLI主开关2019-01 - 222019-01 - 222019-01 - 22ðnþ3Þðnþ3Þ2019-01-222019-01 -ððnþ7Þ ÷2Þ876M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869..ΣΣ¼×联系我们C1/4：;VinVc是电容器CZ1或CZ2在（Dshmax）处的电压。Vc使用Eq. （二十）DI²= 4to50%×Ioutmax×VZSIð21 ÞV1-Dsh;maxV1- 2×Dsh;maxð20Þ其中，I out，max为逆变器的最大输出电流，固定为15 A。电话：+86-10-8888888传真：+86电话：+86-21- 8888888传真：+86-21-88888888Fsh是开关Ssh的开关频率，其具有1000 Hz的频率，DI是电感器中的纹波电流。D1如下获得，300DI<$0： 04× 15×100<$1： 8A电感值为LZ¼LZ1 1/4LZ2电话：+86-021 -8888888传真：+86-021- 88888881000 ×1： 8mm图12个。电容器C3至C5两端的电压。图十三. 负载两端的电压在M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869877Z1/2/2 z2Z21×DV输出CsbcC1至C5Þð23Þ4.5.1.2. 阻抗网络中电容器的设计。阻抗网络中使用的电容器（CZ1和CZ2）值计算如下：4.5.1.3. 自平衡电容器用电容器的设计。SBC中使用的电容值评估为：C1/4C1/4C1/4。Iout;max×Dsh;maxð22Þ输出;max×DsbcSBC出其中DVout是电容器的纹波电压，DV输出为V输入的1/4-3/4DV输出<$0：02×100 < $2： 0V其中，DVout是电容器的纹波电压，Dsbc是SBC中使用的开关的占空比，Fsbc是SBC开关使用的开关频率。Cz¼ Cz1¼C粤ICP备15035555号-12：475mFDV输出为VZSI的1-30%图14. 总谐波失真。图15. 输入电压和阻抗网络上的电压。Z1×DV878M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869ð100 ×6Þ图十六岁电容器C3至C5两端的电压。图17. 负载两端的电压DV输出<$0： 02×300 < $6VCsc¼Csc1¼Csc2¼C 15×0：5mA12： 5mF5. 与其他拓扑结构的为了突出所提出的拓扑结构的独创性和优点，将其与传统拓扑结构和最近的拓扑在MLI中，一致性和控制难度与所使用的开关器件的数量成正比。 图图7示出了传统的、最近报道的和建议的逆变器所需的开关器件的数量。所提出的结构需要相对非常少的开关数量和单个阻抗网络。 图 8表示所需的DC总线电容器的数量，并且电压不平衡问题随着电容器数量的增加而增加。图9示出了所需的飞跨电容器的数量，在所提出的7级MLI中，所需的飞跨电容器的数量是三个。 图10示出M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869879×图18. 总谐波失真。图19. 建议逆变器的实验装置。保持跨飞跨电容器的相等电压所需的箝位开关的数量。对于所提出的拓扑结构，在任何时刻只有（n-1）个开关（3个来自SBC，1个来自电平生成，2个来自H桥）导通。详细比较见表1。6. 仿真和实验结果为了验证理论分析和MATLAB结果，实验设置是为图4所示的电路开发的。用于模拟的参数如下：输入电压100V;LZ1和LZ2的电感为36.11mH; CZ1和CZ2的电容为 2.475mF;开关S1至S7以50Hz操作，SC1至SC6以1000Hz操作，RL负载具有100X的电阻和2mH的电感。 图图11 -14示出了没有击穿（D sh = 0）的ISSCMLI的模拟结果。阻抗网络的输入电压和输出电压（IN/W）如图11所示。根据等式（4）当Dsh为零时，阻抗网络的输入电压与输出电压相等。如图12所示，所有直流链路电容器均充电至相等电压（50V）。如图13所示，实现了具有50V相等步长的七电平输出波形。峰值输出电压为1.5 倍的输入电压（1.5 × 100V），根据方程（5）和（6）。输出电压的谐波频谱如图14所示。除直通占空比（Dsh）外，上述模拟参数保持不变. 图图15-1 8 示 出 了 具 有 0. 1 4 的 直 通 占 空 比 （ D sh ） 的IS S C M L I 的 模 拟 结 果 。阻抗网络的输入电压和输出电压如图15所示。根据Eqn. （4）当Dsh=0.14时，阻抗网络的输出电压比输入电压（139V）提高1.39倍。所有开关电容器都被充电到相等的电压880M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869×图20. S sh的门脉冲。图21. SBC的门脉冲（68V）如图所示。 十六岁如图所示，实现了具有68 V等步长的七电平输出波形。 十七岁根据Eqns。（5）和（6），峰值输出电压将是1.5倍的VZSI（1.5 139V）。输出电压的谐波频谱如图所示。 十八岁在实验室中开发的ISSCMLI的实验装置如图19所示。以下组件用于实验-基本设置：三个单向IGBTFGA15N120IGBT的FPGA SPARTAN 6用于实现逆变控制器、IR2110驱动电路和采用TLP250光电耦合器。 仿真中的开关频率和硬件设置是相同的。所有的波形测量和记录的帮助下，电能质量分析仪（福禄克434系列II）和RIGOL双通道示波器。 图 20 -23显示M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869881图22.电平产生电路的门脉冲。图23. H桥开关的门脉冲。图24. 阻抗网络上的电压。882M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869图二十五电容器C3至C5两端的电压。图26. 电平产生电路的输出电压。图27. 负载两端的电压M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869883完整的门脉冲。图图24-28示出了没有击穿的ISSCMLI的实验结果。电压波形和总谐波失真（THD）与各自的仿真结果几乎相同。图28. 总谐波失真。图20中示出了用于开关Ssh的具有5V（5V/div）幅度的直通脉冲，直通占空比为0.14。图21示出了平衡电路中存在的开关的栅极脉冲。通道1中显示的脉冲波形用于驱动奇数编号的开关，并且通道2中所示的脉冲用于驱动偶数编号的开关。用于电平生成单元中使用的开关的开关脉冲如图22所示。通道1中所示的脉冲用于驱动开关S5，通道2和3中所示的脉冲分别用于驱动开关S6和S7。图23示出了用于极性生成单元中使用的开关的栅极脉冲。 通道1中所示的脉冲用于驱动开关S1和S2。S2.开关S3和S4由通道2中所示的脉冲选通。图24显示了阻抗网络的输出电压。 图25示出了跨开关电容器C3至C5分布的电压。电平产生电路的输出电压如图26所示。负载上的峰值电压是图27所示V ZSI的1.5倍，谐波频谱如图27所示。 28岁图29. 阻抗网络上的电压。图30. 电容器C3至C5两端的电压。884M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869¼图图29-33示出了具有0.14的直通占空比（D sh）的ISSCMLI的实验结果。图29显示了阻抗网络的输出电压，它被提升到输入电压的1.39倍 图图30示出了跨电容器C3至C 5分布的电压。电平产生电路的输出电压如图所示。 31岁图 如图 32，负载两端的峰值电压被提升到阻抗网络输出电压的1.5倍。图33表示谐波频谱。利用FFT分析工具得到基波和谐波含量的百分比。使用Eq. （24）计算THD。理论THD = 13.4%。qP1n2V2¼图34示出了通过理论计算、模拟和实验结果获得的峰值输出电压，并且观察到对于不同直通率获得的峰值是相等的。建议穿通占空比（Dsh）的范围为0-0.33。单个开关的开关损耗见表2。总谐波失真nrmsVFundrms其中：Vn_rms是第n次谐波的RMS电压，ð24 ÞVFund_rms是基波分量的RMS电压根据等式11，所提出的逆变器的效率（25）的效率为93%，高于[27]中提出的逆变器。效率Voutrms×Ioutrms×PFVin×Iinavgð25Þ图33. 总谐波失真。图31. 电平产生电路的输出电压。图32. 负载两端的电压M. Budagavi Matam等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）869885表2图34.结果比较[5] Bambang Sujanarko，Mochamad Ashari，Mauridhi Hery Purnomo，文章：不对称级联多电平逆变器的通用算法控制Int.J.计算机10（ 6）：38-44，2010 年11月。由计算机科学基金会出版。doi：10.5120/1483-2000[6] Shivam Prakash Gautam，Lalit Kumar Sahu，Shubhrata Gupta，对称和不对 称 多 电平 逆 变 器 的 设 备数 量 减 少 ， IET Power Electron.9 （ 4 ） （ 2016 ）698https://doi.org/10.1049/iet-[7] Ebrahim Babaei，Sara Laali，Zahra Bayat，基于具有减少数量的电源开关的新基本单元的单相级联https://doi.org/10.1109/[8] Gnana Prakash，M.巴拉穆鲁甘河，西-地Umashankar，一种新的多电平逆变器，减少了 开 关 数 量 。 国 际 电 力 电 子 传 动 系 统 杂 志 5.1 （ 2014 ）63. pp10.11591/ijpeds.v5i1.6089[9] 吴晓刚，王晓刚，等.一种新型的级联型多电平逆变器拓扑结构.电力工程学报，能量转换管理。50（11）（2009）2761https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.06.032[10] Kannan Ramani，Mohd Ali Jagabar Sathik，Selvam Sivakumar，A new symmetricmultilevelinvertertopologyusingsingleanddoublesourcesub-multilevelinverters，J. 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