古小科，楊景常，張子玉，唐云波

（西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610039）

1 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，多電平逆變器受到越來越多的關(guān)注，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，特別是在高壓功率設(shè)備應(yīng)用中得到極大的關(guān)注。例如，大型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大功率有源電力濾波和交流柔性供電。目前，在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，二極管鉗位型三電平逆變器運(yùn)用最為廣泛。在此基礎(chǔ)上，有多種改進(jìn)的拓?fù)?，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(diǎn)鉗位式（3L-ASNPC）變換電路，這些電路各有優(yōu)點(diǎn)。本文提出一種新型的三相三電平逆變電路，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，證實(shí)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(gè)可關(guān)斷功率器件和6個(gè)鉗位二極管，在直流側(cè)有兩個(gè)一樣的電容C1、C2。每個(gè)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(cè)中點(diǎn)電位，因此，每個(gè)開關(guān)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(diǎn)位。當(dāng)Sa1和Sa2導(dǎo)通時(shí)，A相與電源正端相連，其點(diǎn)位為Ud/2，當(dāng)Sa2和Sa3導(dǎo)通時(shí)，A相通過二極管D1、D2與中點(diǎn)O相連，其點(diǎn)位為0，當(dāng)Sa3和Sa4導(dǎo)通時(shí)，A相與電源負(fù)端相連，此時(shí)點(diǎn)位為Ud/2。因此，在任何一個(gè)橋臂中，根據(jù)開關(guān)的不同組合共有三種狀態(tài)，在本文中分別稱為：“P”狀態(tài)，“O”狀態(tài)和“N”狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 NPC型三電平電路工作原理

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

（1）每種狀態(tài)下任一橋臂中總是相鄰的兩個(gè)功率器件導(dǎo)通；

（2）Sa1和Sa3，Sa2和Sa4的狀態(tài)始終相反；

（3）不允許在“P”狀態(tài)和“N”狀態(tài)之間直接切換，中間必須經(jīng)過“O”狀態(tài)；

（4）Sa1和Sa4不能同時(shí)導(dǎo)通；

（5）每次狀態(tài)變換每個(gè)橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。

如表1所示為A相開關(guān)變量Sa對(duì)應(yīng)各個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)表。

表1 NPC型三電平電路A相狀態(tài)

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(gè)功率開關(guān)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(diǎn)位。當(dāng)Sa1導(dǎo)通時(shí)，A相與電源正端相連，其電位為Ud/2，即處于“P”狀態(tài)；當(dāng)Sa2和Sa3導(dǎo)通時(shí)，A相通過Sa2和Sa3各自的續(xù)流二極管與中點(diǎn)O相連，其點(diǎn)位為0，即處于“O”狀態(tài)；當(dāng)Sa4導(dǎo)通時(shí)，A相與電源負(fù)端相連，其點(diǎn)位為-Ud/2。如圖4所示為該種逆變電路的三種不同的狀態(tài)。

圖4 新型電路的工作原理

根據(jù)以上分析，該新型三電平逆變電路包括以下幾條規(guī)律（以A相為例）。

（1）Sa1和Sa4不能同時(shí)導(dǎo)通；

（2）Sa1和Sa3不能同時(shí)導(dǎo)通；

（3）Sa2和Sa4不能同時(shí)導(dǎo)通；

（4）不允許在“P”狀態(tài)和“N”狀態(tài)之間直接切換，中間必須經(jīng)過“O”狀態(tài)；

（5）每次狀態(tài)變換每個(gè)橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。

通過仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，該新型三電平逆變電路的（2）、（3）規(guī)則與二極管型三電平逆變器的（2）規(guī)則等效。表2為該新型三電平逆變電路的開關(guān)狀態(tài)（以A相為例，×代表任意狀態(tài)）。

表2 新型三電平逆變電路A相狀態(tài)

4 兩種電路的對(duì)比

通過圖2和圖4對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，如果選用相同的功率開關(guān)器件和二極管，則新型的三電平逆變電路成本較低，且結(jié)構(gòu)簡單。而且，二極管鉗位型三電平逆變電路有其固有缺點(diǎn)之一就是，同一橋臂上的功率開關(guān)器件的損耗分布不平均，分析圖2可以看出，在“P”狀態(tài)時(shí)，Sa1和Sa2同時(shí)導(dǎo)通，在“O”狀態(tài)時(shí)，Sa2和Sa3同時(shí)給觸發(fā)信號(hào)，在同一時(shí)刻有一個(gè)功率器件導(dǎo)通，在“N”狀態(tài)時(shí)，Sa3和Sa4同時(shí)導(dǎo)通，因此，Sa2和Sa3的損耗比Sa1和Sa2高，給散熱器的設(shè)計(jì)造成了一定的困難［5]。由圖4可以看出，在“P”狀態(tài)時(shí)，Sa1導(dǎo)通，在“O”狀態(tài)時(shí)，Sa2和Sa3同時(shí)給觸發(fā)信號(hào)，在同一時(shí)刻只有一個(gè)功率器件導(dǎo)通，在“N”狀態(tài)時(shí)，Sa4導(dǎo)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(duì)比表1和2可知，二極管鉗位型的三電平逆變電路的調(diào)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(fā)。

5 Matlab/simulink仿真及結(jié)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(tǒng)的三電平SVPWM來進(jìn)行調(diào)制，為了驗(yàn)證該電路的正確性，下面將給出在Matlab/simulunk環(huán)境下的仿真及結(jié)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(tǒng)的SVPWM算法。圖6為AB相電壓的波形，顯然滿足三電平調(diào)制的要求。

圖5 一相橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 AB相電壓波形

6 結(jié)論

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

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