三电平逆变器主电路及调制策略研究

摘要：三电平逆变器作为多电平逆变器的一种,在高压大功率场合获得了较为广泛的应用。研究和分析了三电平逆变器主电路的原理和调制策略,并在Matlab/Simulink下进行了仿真分析。

1 引言

三电平结构作为多电平逆变器拓扑结构之一，自日本长冈科技大学难波江章（A.Nabae） 等人于1980 年在IEEE 工业应用年会提出以来，这种拓扑结构在实际工业现场获得了广泛 的应用。三电平逆变电器与普通的二电平逆变器相比，在相同载波频率下，逆变器的开关频 率要低一些，输出波形的谐波分量会更少一些，这样不仅减少了谐波损耗与开关损耗，提高 了系统的效率，同时也减少了对周围环境的电磁干扰。

2 三电平逆变器原理分析

图 1 为中点箝位型三相三电平逆变器拓扑结构。该拓扑的直流侧串联两个电容分压实现 三个电平，每个桥臂用4 个功率开关串联，用两个串联的二极管和内部的功率开关并联，二 极管的中心和电容的中心连接，实现箝位，即中点箝位逆变器。

如图所示，每一相都需要4 个主开关器件、4 个续流二极管、两个箝位二极管，当V11 和V12 同为导通时，输出端Uo 对O 点的电平为Ed/2；当V12 和V13 同为导通时，输出端 Uo 和O 点相连，因此它的电平为0；当V13 和V14 同为导通时，输出端对O 点的电平为- Ed/2，所以每相桥臂能输出三个电平状态。一相桥臂电路的稳态工作情况具体叙述如下：开关管 V11 和V12 同时导通时，V13 和V14 同时关断，若电流从逆变电路流向负载，即从p 点经 由V11 和V12 到达输出端，忽略开关器件的正向导通压降，输出端的电位等同于p 点的电 位，即Ed/2；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从输出端分别流经续流二极管D12、 D11 流进p 点，这时输出端的电位仍等同于p 的电位。

表 1 中列出了上面分析的结果，可以看到三种稳态工作模式的开关状态和输出端电压 的对应关系，需要注意的是，根据上面分析的工作原理，主开关管V11 和V14 不能同时导 通，且V11 和V13、V12 和V14 的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每个主开 关管所承受的正向阻断电压为Ed/2，这也是三电平逆变器的基本控制规律之一。另外，从表 中可以明显看出，每相桥臂中间的两个IGBT 导通时间最长，导致发热量也多一些，因此实 际系统散热设计应以这两个IGBT 为准。

根据前面分析的电路工作情况，可以绘出中点箝位型三电平逆变器的三相输出端电压波形，如图所示，其中α为触发延迟角。

来源：维库开发网