一種新型的三相三電平逆變電路的研究＊

古小科，楊景常，張子玉，唐云波

（西華大學電氣信息學院，四川成都610039）

1 引言

隨著現代電力電子技術和數字控制技術的快速發展，多電平逆變器受到越來越多的關注，成為國內外研究的熱點，特別是在高壓功率設備應用中得到極大的關注。例如，大型交流電機驅動，大功率有源電力濾波和交流柔性供電。目前，在多電平拓撲結構中，二極管鉗位型三電平逆變器運用最為廣泛。在此基礎上，有多種改進的拓撲，比如三電平有源NPC、三電平層疊式NPC［2]和三電平有源層疊中點鉗位式（3L-ASNPC）變換電路，這些電路各有優點。本文提出一種新型的三相三電平逆變電路，并在Matlab/Simulink環境下進行仿真分析，證實了該新型電路的有效性。

2 二極管鉗位型三電平逆變電路及其原理

如圖1所示，在NPC型三電平逆變電路中，采用了12個可關斷功率器件和6個鉗位二極管，在直流側有兩個一樣的電容C1、C2。每個電容上分得的電壓為Ud/2，并通過鉗位二極管的鉗位作用，使輸出電壓被鉗位在直流側中點電位，因此，每個開關器件所承受的電壓為Ud/2。

圖1 二極管鉗位型三電平逆變電路

下面，以A相為例來分析二極管鉗位型三電平逆變器的工作原理。取兩電容之間的O為0點位。當Sa1和Sa2導通時，A相與電源正端相連，其點位為Ud/2，當Sa2和Sa3導通時，A相通過二極管D1、D2與中點O相連，其點位為0，當Sa3和Sa4導通時，A相與電源負端相連，此時點位為Ud/2。因此，在任何一個橋臂中，根據開關的不同組合共有三種狀態，在本文中分別稱為：“P”狀態，“O”狀態和“N”狀態。如圖2所示。

圖2 NPC型三電平電路工作原理

根據以上分析，二極管鉗位型三電平逆變器的基本控制應包括以下幾條基本規律（以A相為例）。

（1）每種狀態下任一橋臂中總是相鄰的兩個功率器件導通；

（2）Sa1和Sa3，Sa2和Sa4的狀態始終相反；

（3）不允許在“P”狀態和“N”狀態之間直接切換，中間必須經過“O”狀態；

（4）Sa1和Sa4不能同時導通；

（5）每次狀態變換每個橋臂只有一個功率器件動作。

如表1所示為A相開關變量Sa對應各個功率開關器件的開關狀態表。

表1 NPC型三電平電路A相狀態

3 一種新型的三相三電平逆變電路

如圖3所示為一種新型的三相三電平逆變電路，該電路采用了12個功率開關器件。

圖3 新型的三相三電平逆變電路

同樣，以A相為例，來分析該新型三相三電平逆變電路的工作原理。取兩電容之間的O為零點位。當Sa1導通時，A相與電源正端相連，其電位為Ud/2，即處于“P”狀態；當Sa2和Sa3導通時，A相通過Sa2和Sa3各自的續流二極管與中點O相連，其點位為0，即處于“O”狀態；當Sa4導通時，A相與電源負端相連，其點位為-Ud/2。如圖4所示為該種逆變電路的三種不同的狀態。

圖4 新型電路的工作原理

根據以上分析，該新型三電平逆變電路包括以下幾條規律（以A相為例）。

（1）Sa1和Sa4不能同時導通；

（2）Sa1和Sa3不能同時導通；

（3）Sa2和Sa4不能同時導通；

（4）不允許在“P”狀態和“N”狀態之間直接切換，中間必須經過“O”狀態；

（5）每次狀態變換每個橋臂只有一個功率器件動作。

通過仔細分析可以發現，該新型三電平逆變電路的（2）、（3）規則與二極管型三電平逆變器的（2）規則等效。表2為該新型三電平逆變電路的開關狀態（以A相為例，×代表任意狀態）。

表2 新型三電平逆變電路A相狀態

4 兩種電路的對比

通過圖2和圖4對比可以發現，如果選用相同的功率開關器件和二極管，則新型的三電平逆變電路成本較低，且結構簡單。而且，二極管鉗位型三電平逆變電路有其固有缺點之一就是，同一橋臂上的功率開關器件的損耗分布不平均，分析圖2可以看出，在“P”狀態時，Sa1和Sa2同時導通，在“O”狀態時，Sa2和Sa3同時給觸發信號，在同一時刻有一個功率器件導通，在“N”狀態時，Sa3和Sa4同時導通，因此，Sa2和Sa3的損耗比Sa1和Sa2高，給散熱器的設計造成了一定的困難［5]。由圖4可以看出，在“P”狀態時，Sa1導通，在“O”狀態時，Sa2和Sa3同時給觸發信號，在同一時刻只有一個功率器件導通，在“N”狀態時，Sa4導通，因此，該新型的三電平逆變電路能夠平衡所有器件的損耗。

對比表1和2可知，二極管鉗位型的三電平逆變電路的調制方法完全適用于該新型的三電平逆變電路，從而避免了新算法的開發。

5 Matlab/simulink仿真及結果

由以上分析可知，該新型三相三電平逆變電路完全可以用傳統的三電平SVPWM來進行調制，為了驗證該電路的正確性，下面將給出在Matlab/simulunk環境下的仿真及結果。圖5為該新型三相三電平電路其中一橋臂的仿真模型，仿真中采用了傳統的SVPWM算法。圖6為AB相電壓的波形，顯然滿足三電平調制的要求。

圖5 一相橋臂的拓撲結構

圖6 AB相電壓波形

6 結論

由以上分析可知，該新型逆變電路結構簡單，且能夠平衡各個功率器件之間的損耗，仿真表明，傳統的三電平調制方法也完全適用于該電路。避免了新算法的開發。由此可見該新型的三電平電路是優于傳統的二極管鉗位型三電平電路的而且方便應用。

［1] Dan FLORICAU，GuillaumeGATEAU.New multilevel Converter for Industrial Medium－Voltage Applications［J] .SCI Przeglad Elektrotechniczny，2009，85（7）：26－30.

［2] T Bruckner，S Bernet，H Guldner.The Active Converter and its Loss－balaning Control［J] .IEEE Trans.on Industrial Application，2005，52（3）：855－868.

［3] NabaeA，TakahashiI，AkagiH.ANewNeutral－pointClamped PWM Inverter［J] .IEEE Trans on Industrial Application，1981，17（5）：518-523.

［4] 薛定宇，陳楊泉.基于MATLAB／Simulink的系統仿真技術與應用［M] .北京：清華大學出版社，2002，1：192-309

［5] 景 巍，譚國俊，葉宗彬，等.大功率三電平變頻器損耗計算及散熱分析［J] .電工技術學報，2011，26（2）：134-140.

［6] 陶 然，蘇建徽.三電平SVPWM算法的研究［J] .測試技術，2008，1：1-5.

［7] 程善美，蔡 凱，劉亞軍，吳 冰.NPC三電平逆變SVPWM算法的研究［J] .微電機，2010，43（6）：66-69.

［8] Yuexin Yin，Alex Y Wu.A Low-Harmonic Electric Drive System Based on Current source Inverter［J] .IEEE Trans.on Ind.APP.，34（1）：227-235.

［9] 賴日聲.新型功率變換器-多電平變換器.美國橡樹嶺國家實驗室，1996

［10] 何湘寧，陳阿蓮.多電平變換器的理論和應用技術［M] .北京：機械工業出版社，2006.

［11] 張艷莉，費萬民，呂征宇，姚文熙.三電平逆變器SHEPWM方法及其應用研究［J] .電工技術學報，2004，19（1）：16-19.

［12] 韋立祥，孫旭東，劉叢偉，李發海.三電平變換器直流電壓平衡控制方法［J] .清華大學學報，2001，41（3）：13-16.