三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳解

　　逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V，50Hz正弦波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動(dòng)砂輪、電動(dòng)工具、縫紉機(jī)、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、冰箱，錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明等。在國(guó)外因汽車的普及率較高外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動(dòng)電器及各種工具工作。

　　通過(guò)點(diǎn)煙器輸出的車載逆變是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 到 150W 功率規(guī)格。再大一些功率逆變電源要通過(guò)連接線接到電瓶上。把家用電器連接到電源轉(zhuǎn)換器的輸出端就能在汽車內(nèi)使用各種電器?？墒褂玫碾娖饔校?a href="http://ttokpm.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)、照像機(jī)、照明燈、電動(dòng)剃須刀、CD 機(jī)、游戲機(jī)、掌上電腦、電動(dòng)工具、車載冰箱及各種旅游、野營(yíng)、醫(yī)療急救電器等。

　　逆變器工作原理

　　逆變器是一種DC to AC的變壓器，它其實(shí)與轉(zhuǎn)化器是一種電壓逆變的過(guò)程。

　　逆變器

　　轉(zhuǎn)換器是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而逆變器是將Adapter輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個(gè)部分同樣都采用了用得比較多的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。其核心部分都是一個(gè)PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆變器則采用TL5001芯片。TL5001的工作電壓范圍3.6～40V，其內(nèi)部設(shè)有一個(gè)誤差放大器，一個(gè)調(diào)節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的PWM發(fā)生器、低壓保護(hù)回路及短路保護(hù)回路等。

　　輸入接口部分：輸入部分有3個(gè)信號(hào)，12V直流輸入VIN、工作使能電壓ENB及Panel電流控制信號(hào)DIM。VIN由Adapter提供，ENB電壓由主板上的MCU提供，其值為0或3V，當(dāng)ENB=0時(shí)，逆變器不工作，而ENB=3V時(shí)，逆變器處于正常工作狀態(tài)；而DIM電壓由主板提供，其變化范圍在0～5V之間，將不同的DIM值反饋給PWM控制器反饋端，逆變器向負(fù)載提供的電流也將不同，DIM值越小，逆變器輸出的電流就越大。

　　電壓?jiǎn)?dòng)回路：ENB為高電平時(shí)輸出高壓去點(diǎn)亮Panel的背光燈燈管。

　　PWM控制器：有以下幾個(gè)功能組成：內(nèi)部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和PWM、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管。

　　逆變器

　　直流變換：由MOS開關(guān)管和儲(chǔ)能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經(jīng)過(guò)推挽放大器放大后驅(qū)動(dòng)MOS管做開關(guān)動(dòng)作，使得直流電壓對(duì)電感進(jìn)行充放電，這樣電感的另一端就能得到交流電壓。

　　LC振蕩及輸出回路：保證燈管啟動(dòng)需要的1600V電壓，并在燈管啟動(dòng)以后將電壓降至800V。

　　輸出電壓反饋：當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定I逆變器電壓輸出的作用。

　　三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳解

　　兩電平的結(jié)構(gòu)在不斷完善與發(fā)展之后，專家學(xué)者就提出了三電平的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是隨著電平數(shù)的增多，輸出的電流中諧波含量降低。當(dāng)逆變器工作在低頻開關(guān)狀態(tài)下時(shí)，開關(guān)器件動(dòng)作少，在相同條件下消耗在開關(guān)上的開通和關(guān)斷能量就減少，相應(yīng)的使得電壓和電流的輸出就變大。經(jīng)過(guò)幾十年各國(guó)學(xué)者的不斷努力，現(xiàn)在己經(jīng)形成了幾種比較成熟的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都已經(jīng)形成了各自的應(yīng)用場(chǎng)合，使得在不同控制要求和條件下，可以選用不同結(jié)構(gòu)的逆變器。

　　一、東莞南方水泵分析MPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　最早研制成功的多電平逆變器是在Nabae.A提出的模型基礎(chǔ)之上改進(jìn)成的。其主要特點(diǎn)是控制方式采用PWM或是SPWM算法，電路結(jié)構(gòu)采用二極管進(jìn)行鉗位，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。NPC結(jié)構(gòu)的逆變器為以后各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器奠定了基礎(chǔ)，許多新型的逆變器都是由最初的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)演變而來(lái)的。

　　下圖為NPC逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看出在a相上串聯(lián)了四個(gè)開關(guān)管，形成了上下不同的橋臂，上下橋臂中不同的開關(guān)動(dòng)作組合是有不同的矢量控制的，定義每相橋臂的輸出的三電平的狀態(tài)分別是P，O，N，以第一相橋臂為例，當(dāng)Sl，S2閉合時(shí)輸出高電平狀態(tài)，同時(shí)S3，S4關(guān)閉時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)可以看出輸出電壓為0狀態(tài)，同理可以計(jì)算出當(dāng)S3，S4導(dǎo)通時(shí)輸出電壓為低電平。DX（X=1~6）為鉗位二極管，DX1，DX2，DX3，DX4（X=1，2，3，4）是續(xù)流二極管。對(duì)于n電平鉗位式逆變器所需要的分壓電容為（n-1），開關(guān)管的個(gè)數(shù)是電容個(gè)數(shù)的兩倍即2（n-l），通過(guò)三個(gè)橋臂的不同開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，很容易得到三相電路。

　　圖1：NPC三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　每個(gè)橋臂的三種開關(guān)狀態(tài)P，N，O，如果用功率器件的導(dǎo)通來(lái)表示1，斷開用0表示，那么每相橋臂的組合狀態(tài)為：［1100］，［0110］，［0011］，減少功率器件的耐壓不均勻現(xiàn)象，在開通關(guān)斷過(guò)程中要經(jīng)過(guò)O狀態(tài)，不可以直接進(jìn)行P→N狀態(tài)或是N→P狀態(tài)，目的是為了防止器件承受高壓而燒壞。

　　每相橋臂的開關(guān)動(dòng)作按照如下方式進(jìn)行：首先開通S1和S2，接下來(lái)對(duì)S2進(jìn)行關(guān)斷，保證其完全關(guān)斷的時(shí)候，留有必要的余量，在對(duì)S3進(jìn)行開通，保證S3完全開通后在對(duì)S1進(jìn)行關(guān)斷處理，其他開關(guān)管依次類推，這樣的優(yōu)點(diǎn)是保證在每個(gè)開關(guān)管開通和關(guān)斷之后在操作其他器件，能有效防止上下橋臂的直通，導(dǎo)致開關(guān)管承受的電壓電流值過(guò)大而燒毀。

　　表1：A相橋臂的開通關(guān)斷狀態(tài)

　　二、NPG三電平逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)

　　通過(guò)對(duì)其工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析廣東南方水泵可以看出該逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1）電平數(shù)越多，輸出電壓中的諧波含量越低；

　　2）采用脈沖寬度調(diào)制時(shí)可以減小開關(guān)管的通斷次數(shù)，從而降低功耗提高效率，可以控制無(wú)功能量的流動(dòng)；

　　3）back-to-back連接，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單。

　　正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得NPC逆變器應(yīng)用廣泛，與其同步發(fā)展的控制方法日漸成熟，通過(guò)對(duì)算法的改進(jìn)也可以避免和消除部分自身結(jié)構(gòu)帶來(lái)的缺點(diǎn)，任何一種電路都存在不可避免的缺點(diǎn)，越復(fù)雜的電路缺點(diǎn)越多，逆變器也不例外。

　　根據(jù)南方水泵介紹隨著電平數(shù)的增加，二極管和電容數(shù)量都將增加，由于每個(gè)功率器件不能完全一致導(dǎo)通時(shí)間并不同步，導(dǎo)致各個(gè)開關(guān)管承受的電壓不同；由于分壓電容的存在，不可避免的存在中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題，使得在硬件設(shè)計(jì)和控制算法中要做出相應(yīng)的措施，避免對(duì)變頻器產(chǎn)生危害影響使用壽命。