一种新型的三相三电平逆变电路的研究＊

古小科，杨景常，张子玉，唐云波

（西华大学电气信息学院，四川成都610039）

1 引言

随着现代电力电子技术和数字控制技术的快速发展，多电平逆变器受到越来越多的关注，成为国内外研究的热点，特别是在高压功率设备应用中得到极大的关注。例如，大型交流电机驱动，大功率有源电力滤波和交流柔性供电。目前，在多电平拓扑结构中，二极管钳位型三电平逆变器运用最为广泛。在此基础上，有多种改进的拓扑，比如三电平有源NPC、三电平层叠式NPC［2]和三电平有源层叠中点钳位式（3L-ASNPC）变换电路，这些电路各有优点。本文提出一种新型的三相三电平逆变电路，并在Matlab/Simulink环境下进行仿真分析，证实了该新型电路的有效性。

2 二极管钳位型三电平逆变电路及其原理

如图1所示，在NPC型三电平逆变电路中，采用了12个可关断功率器件和6个钳位二极管，在直流侧有两个一样的电容C1、C2。每个电容上分得的电压为Ud/2，并通过钳位二极管的钳位作用，使输出电压被钳位在直流侧中点电位，因此，每个开关器件所承受的电压为Ud/2。

图1 二极管钳位型三电平逆变电路

下面，以A相为例来分析二极管钳位型三电平逆变器的工作原理。取两电容之间的O为0点位。当Sa1和Sa2导通时，A相与电源正端相连，其点位为Ud/2，当Sa2和Sa3导通时，A相通过二极管D1、D2与中点O相连，其点位为0，当Sa3和Sa4导通时，A相与电源负端相连，此时点位为Ud/2。因此，在任何一个桥臂中，根据开关的不同组合共有三种状态，在本文中分别称为：“P”状态，“O”状态和“N”状态。如图2所示。

图2 NPC型三电平电路工作原理

根据以上分析，二极管钳位型三电平逆变器的基本控制应包括以下几条基本规律（以A相为例）。

（1）每种状态下任一桥臂中总是相邻的两个功率器件导通；

（2）Sa1和Sa3，Sa2和Sa4的状态始终相反；

（3）不允许在“P”状态和“N”状态之间直接切换，中间必须经过“O”状态；

（4）Sa1和Sa4不能同时导通；

（5）每次状态变换每个桥臂只有一个功率器件动作。

如表1所示为A相开关变量Sa对应各个功率开关器件的开关状态表。

表1 NPC型三电平电路A相状态

3 一种新型的三相三电平逆变电路

如图3所示为一种新型的三相三电平逆变电路，该电路采用了12个功率开关器件。

图3 新型的三相三电平逆变电路

同样，以A相为例，来分析该新型三相三电平逆变电路的工作原理。取两电容之间的O为零点位。当Sa1导通时，A相与电源正端相连，其电位为Ud/2，即处于“P”状态；当Sa2和Sa3导通时，A相通过Sa2和Sa3各自的续流二极管与中点O相连，其点位为0，即处于“O”状态；当Sa4导通时，A相与电源负端相连，其点位为-Ud/2。如图4所示为该种逆变电路的三种不同的状态。

图4 新型电路的工作原理

根据以上分析，该新型三电平逆变电路包括以下几条规律（以A相为例）。

（1）Sa1和Sa4不能同时导通；

（2）Sa1和Sa3不能同时导通；

（3）Sa2和Sa4不能同时导通；

（4）不允许在“P”状态和“N”状态之间直接切换，中间必须经过“O”状态；

（5）每次状态变换每个桥臂只有一个功率器件动作。

通过仔细分析可以发现，该新型三电平逆变电路的（2）、（3）规则与二极管型三电平逆变器的（2）规则等效。表2为该新型三电平逆变电路的开关状态（以A相为例，×代表任意状态）。

表2 新型三电平逆变电路A相状态

4 两种电路的对比

通过图2和图4对比可以发现，如果选用相同的功率开关器件和二极管，则新型的三电平逆变电路成本较低，且结构简单。而且，二极管钳位型三电平逆变电路有其固有缺点之一就是，同一桥臂上的功率开关器件的损耗分布不平均，分析图2可以看出，在“P”状态时，Sa1和Sa2同时导通，在“O”状态时，Sa2和Sa3同时给触发信号，在同一时刻有一个功率器件导通，在“N”状态时，Sa3和Sa4同时导通，因此，Sa2和Sa3的损耗比Sa1和Sa2高，给散热器的设计造成了一定的困难［5]。由图4可以看出，在“P”状态时，Sa1导通，在“O”状态时，Sa2和Sa3同时给触发信号，在同一时刻只有一个功率器件导通，在“N”状态时，Sa4导通，因此，该新型的三电平逆变电路能够平衡所有器件的损耗。

对比表1和2可知，二极管钳位型的三电平逆变电路的调制方法完全适用于该新型的三电平逆变电路，从而避免了新算法的开发。

5 Matlab/simulink仿真及结果

由以上分析可知，该新型三相三电平逆变电路完全可以用传统的三电平SVPWM来进行调制，为了验证该电路的正确性，下面将给出在Matlab/simulunk环境下的仿真及结果。图5为该新型三相三电平电路其中一桥臂的仿真模型，仿真中采用了传统的SVPWM算法。图6为AB相电压的波形，显然满足三电平调制的要求。

图5 一相桥臂的拓扑结构

图6 AB相电压波形

6 结论

由以上分析可知，该新型逆变电路结构简单，且能够平衡各个功率器件之间的损耗，仿真表明，传统的三电平调制方法也完全适用于该电路。避免了新算法的开发。由此可见该新型的三电平电路是优于传统的二极管钳位型三电平电路的而且方便应用。

［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，陈杨泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用［M] .北京：清华大学出版社，2002，1：192-309

［5] 景 巍，谭国俊，叶宗彬，等.大功率三电平变频器损耗计算及散热分析［J] .电工技术学报，2011，26（2）：134-140.

［6] 陶 然，苏建徽.三电平SVPWM算法的研究［J] .测试技术，2008，1：1-5.

［7] 程善美，蔡 凯，刘亚军，吴 冰.NPC三电平逆变SVPWM算法的研究［J] .微电机，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] 赖日声.新型功率变换器-多电平变换器.美国橡树岭国家实验室，1996

［10] 何湘宁，陈阿莲.多电平变换器的理论和应用技术［M] .北京：机械工业出版社，2006.

［11] 张艳莉，费万民，吕征宇，姚文熙.三电平逆变器SHEPWM方法及其应用研究［J] .电工技术学报，2004，19（1）：16-19.

［12] 韦立祥，孙旭东，刘丛伟，李发海.三电平变换器直流电压平衡控制方法［J] .清华大学学报，2001，41（3）：13-16.