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，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，大型交流電機驅(qū)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(jié)構(gòu)中，二極管鉗位型三電平逆變器運用最為廣泛。在此基礎(chǔ)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(yōu)點。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(guān)斷功率器件和6個鉗位二極管，在直流側(cè)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(cè)中點電位，因此，每個開關(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點位。當(dāng)Sa1和Sa2導(dǎo)通時，A相與電源正端相連，其點位為Ud/2，當(dāng)Sa2和Sa3導(dǎo)通時，A相通過二極管D1、D2與中點O相連，其點位為0，當(dāng)Sa3和Sa4導(dǎo)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(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不能同時導(dǎo)通；

（5）每次狀態(tài)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(guān)變量Sa對應(yīng)各個功率開關(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為零點位。當(dāng)Sa1導(dǎo)通時，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，A相通過Sa2和Sa3各自的續(xù)流二極管與中點O相連，其點位為0，即處于“O”狀態(tài)；當(dāng)Sa4導(dǎo)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(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不能同時導(dǎo)通；

（2）Sa1和Sa3不能同時導(dǎo)通；

（3）Sa2和Sa4不能同時導(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)變換每個橋臂只有一個功率器件動作。

通過仔細分析可以發(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 兩種電路的對比

通過圖2和圖4對比可以發(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，Sa1和Sa2同時導(dǎo)通，在“O”狀態(tài)時，Sa2和Sa3同時給觸發(fā)信號，在同一時刻有一個功率器件導(dǎo)通，在“N”狀態(tài)時，Sa3和Sa4同時導(dǎo)通，因此，Sa2和Sa3的損耗比Sa1和Sa2高，給散熱器的設(shè)計造成了一定的困難［5]。由圖4可以看出，在“P”狀態(tài)時，Sa1導(dǎo)通，在“O”狀態(tài)時，Sa2和Sa3同時給觸發(fā)信號，在同一時刻只有一個功率器件導(dǎo)通，在“N”狀態(tài)時，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來進行調(diào)制，為了驗證該電路的正確性，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 一相橋臂的拓撲結(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。

［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(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M] .北京：清華大學(xué)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(shù)學(xué)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(shù)，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(yīng)用技術(shù)［M] .北京：機械工業(yè)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(yīng)用研究［J] .電工技術(shù)學(xué)報，2004，19（1）：16-19.

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