中点箝位式三电平逆变器动态换流分析

罗振成，张桂枝

(张家口职业技术学院电气工程系，河北张家口075051)

1 引言

在变频调速中多电平控制技术成为解决高压难题的有效手段，其中三电平变频器由于结构简单可控性好在实际中得到广泛应用。在三电平中选取相同容量开关时，系统容量和直流侧电压都可提高一倍。三电平逆变器输出电压波形的正弦度越高，电动机的调速性能越好，而逆变器的正确动态换流是确保其输出正弦电压波形的前提，故分析逆变器动态换流具有重要意义。

2 中点箝位式三电平逆变器的拓扑结构

在三电平逆变器的拓扑结构中，中点箝位式拓扑结构是最实用的一种多电平结构。三电平是指逆变器的每相输出电压相对于直流侧的电位中点有+Udc/2、0和–Udc/2三种电位。其拓扑结构[1]如图1。

图1 中点箝位式三电平逆变器的拓扑结构Fig.1 Neutral point clamped three level inverter topology

Udc为直流侧电压，电容C1和 C2为均衡电容器，且C1=C2，每个电容上的压降为Udc/2。O＇为电位中点。逆变器每相桥臂上均设置4个相串联的单向功率开关，每个开关并联一个续流二极管，每一相设置2个箝位二极管。

3 三电平逆变器输出的三种稳定状态

三电平逆变器三个桥臂中的每个桥臂上输出一相交流电，每个桥臂上的四个功率开关正常工作时有三种开关模式，每个开关模式都有两个开关管导通。当最上边的两个开关导通时，逆变器输出电平为+Udc/2，称为P状态;当中间的两个开关导通时，逆变器输出电平为零，称为O状态;当最下边的两个开关导通时，逆变器输出电平为－Udc/2，称为N状态[2]。

4 三电平逆变器的动态换流分析

如图1所示，当电流从逆变器流出，定义电流方向为正;反之，当电流进入逆变器时，定义电流方向为负[3]。

下面将以U相为例对三电平逆变器的P状态与O状态之间、O状态与N状态之间的动态换流过程进行分析，V相和W相的工作情况与U相类似，不再重复叙述。

4.1 P状态到O状态的换流过程分析

4.1.1 当负载电流方向为正时

4.1.1.1 当原状态为P状态时，功率开关管Su1、Su2导通，U相输出电位为+Udc/2。如图2(a)所示，电流流通路径为:P电位→Su1→Su2→U相输出端。

4.1.1.2 当系统发出关断Su1信号，Su1还未恢复阻断能力的瞬间，箝位二极管Du1(电流下降时，由于电机为感性负载，要产生一个感应电动势来阻碍电流的下降，该感应电动势对Du1产生正偏电压的作用，使Du1导通)也处于导通状态，此时导致Du1和Su1瞬间短路，产生瞬间短路电流，短路电流大小取决于Su1的反向恢复电流的大小。短路电流的流通回路为:中性点O＇→Du1→Su1→P电位→C1→中性点O＇。如图2(b)所示。当Su1的反向电流下降到0时，Su1截止关断，负载电流由Su1换到Du1流通，换流过程结束。此后全部负载电流由Du1和Su2流过。负载电流回路为:中性点O＇→Du1→Su2→U相输出端，如图2(c)所示。

4.1.1.3 换流过程结束后，触发功率开关管Su3导通，逆变器保持前面状态。负载电流回路仍为:中性点O＇→Du1→Su2→U相输出端，通过Du1箝位作用使U相输出0电位，如图2(d)所示。

图2

4.1.2 当负载电流方向为负时

4.1.2.1 在状态从P状态切换至O状态前，功率开关管Su1、Su2上虽然加有触发脉冲，但由于电流为负，而开关管Su1、Su2单相导电，Su1、Su2无电流流过。负载电流由续流二极管Du3、Du4流通，U相输出电位为+Udc/2。如图3(a)所示，电流流通路径为:U相输出端→Du4→Du3→P电位。

4.1.2.2 当对Su1发出关断信号，Su1关断，逆变器工作状态不受影响，电流流通路径仍为:U相输出端→Du4→Du3→P电位。如图3(b)所示。

4.1.2.3 当Su3触发导通的瞬间，箝位二极管Du2导通，此时造成Du2和Su3瞬间短路，产生短路电流，短路电流流通的路径为:中性点O＇→C1→P电位→Du3→Du4→Su3→Du2→0电位。如图3(c)所示。当续流二极管Du3、Du4的电流下降到0时，全部负载电流由Su3和Du2流过，换流结束。此后全部负载电流由Du2和开关Su3流过，负载电流的流通回路为:U相输出端→Su3→Du2→中性点O＇，通过Du2的箝位作用使U相输出0电位，如图3(d)所示。

图3

4.2 O状态到N状态的换流过程分析

4.2.1 当负载电流方向为正时

4.2.1.1 在从O状态切换到N状态之前，初状态为Su2、Su3导通，U相输出0电位。如图4(a)所示，电流流通路径为:O＇点→Du1→Su2→U 相输出端。

4.2.1.2 当系统发出关断Su2信号时，Su3还未恢复阻断能力的瞬间，Du1仍处于导通状态，此时导致Du1、Su2、Du5和Du6瞬间短路，产生瞬间短路电流，短路电流的流通回路为:中性点O＇→C2→N电位→Du6→Du5→Su2→Du1→中性点O＇。如图4(b)所示。短路电流大小取决于Du1的反向恢复电流的大小。当流过Du1的短路电流达到其反向截止电流时，短路电流开始下降减小，当过Du1的电流下降到0时，Du1截止，Su2截止。负载电流由Du6和Du5流通，换流过程结束。电流的流通回路为:N电位→Du6→Du5→U相输出端。如图4(c)所示。

4.2.1.3 换流过程结束后，触发Su4导通，逆变器保持前面状态。负载电流的流通回路仍为:N电位→Du6→Du5→U相输出端。电流由Du6、Du5流通，忽略管压降，使U相输出－Udc/2电位，如图4(d)所示。

图4

4.2.2 当负载电流方向为负时

4.2.2.1 在从O状态切换到N状态之前，初状态为Su2、Su3导通，U相输出0电位。如图5(a)所示，电流流通路径为:U相输出端→Su3→Du2→O＇点。

4.2.2.2 当发出关断Su2信号，Su2关断，逆变器工作状态不受影响，电流流通路径仍为:U相输出端→Su3→Du2→O＇点，如图5(b)所示。

4.2.2.3 当Su4触发导通的瞬间，Du2处在导通状态，此时造成Du2和Su4瞬间短路，产生短路电流，短路电流流通的回路为:中性点O＇→Du2→Su4→N电位点→C2→中性点O＇。如图5(c)所示。短路电流大小取决于Du2的反向恢复电流的大小。当流过Du2的短路电流达到其反向截止电流时，短路电流开始下降减小，当流过Du2的电流下降到0时，Du2截止，此时负载电流都由Su3和Su4流通，换流过程结束。换流后电流流通路径为:U相输出端→Su3→Su4→N电位，Su3和Su4导通，不计管压降，U相输出与N点电位相同的电平－Udc/2，如图5(d)所示。

图5

5 总结

中点箝位式三电平逆变器的动态换流只能在P态与O态之间或N态与O态之间进行，P态与N态之间不允许直接转换，要转换必须经过中间状态O态。为了提高逆变器的工作可靠性，要严格控制同一桥臂上功率开关元件的触发脉冲，对同一相上的四个开关，最多允许相邻的两个功率开关同时导通，其它两个开关必须关断。开关在通断切换时要求先关断后导通，为防止短路需在触发脉冲间加入适量的开关死区。

[1]杨超，谢维达，袁登科 等.一种新型的三电平逆变器拓扑结构研究[J].机电一体化，2009，(5):74－77.

[2]刘亚军.三电平逆变器SVPWM控制策略的研究[D].华中科技大学，2008.

[3]江涛.三电平逆变器关键技术及实验研究[D].合肥工业大学，2010.