一種新型的三相三電平逆變器

摘要：研制了一臺(tái)新型三相三電平逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，詳細(xì)分析了其電路的運(yùn)行機(jī)理，通過(guò)與傳統(tǒng)二極管箝位型三電平逆變器比較，說(shuō)明該新結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上大為簡(jiǎn)化，同時(shí)分析了該結(jié)構(gòu)在平衡所有器件損耗上的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該電路能用目前主流的三電平調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制，避免了新算法的開發(fā)需求。在自行研制的二極管箝位型三相三電平逆變器和新型三相三電平逆變器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該新型結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定地完成逆變，證明了該新型結(jié)構(gòu)的正確性與有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；三電平；空間矢量脈寬調(diào)制

1 引言
隨著現(xiàn)代電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，多電平逆變器受到廣泛關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，特別是在高壓功率設(shè)備應(yīng)用中受到極大關(guān)注。目前，在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，二極管箝位型三電平逆變器應(yīng)用最為廣泛。在此基礎(chǔ)上，有多種改進(jìn)拓?fù)洌缛娖接性粗悬c(diǎn)箝位、三電平有源層疊中點(diǎn)箝位式變換電路，這些電路各有優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜。
這里提出一種新型三相三電平逆變電路，該電路簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并搭建了樣機(jī)模型，證明了該新型電路的有效性。

2 二極管箝位型三相三電平逆變電路
圖1為二極管箝位型三相三電平逆變電路。在該電路中，采用12個(gè)可關(guān)斷功率器件和6個(gè)箝位二極管，在直流側(cè)有兩個(gè)相同的電容C1，C2每個(gè)電容上分得電壓Ud／2，并通過(guò)箝位二極管使輸出電壓被箝位在直流側(cè)中點(diǎn)電位，故每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓為Ud／2。

以a相為例分析二極管箝位型三相三電平逆變器工作原理。取兩電容問(wèn)中點(diǎn)O為零電位。當(dāng)Va1，Va2導(dǎo)通時(shí)，a相與電源正端相連，其電位為Ud／2；當(dāng)Va2，Va3導(dǎo)通時(shí)，a相通過(guò)二極管VD1和VD2與O點(diǎn)相連，其電位為零；當(dāng)Va3，Va4導(dǎo)通時(shí)，a相與電源負(fù)端相連，此時(shí)電位為-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3種狀態(tài)，分別稱為：P狀態(tài)，O狀態(tài)和N狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，二極管箝位型三相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兩個(gè)功率器件導(dǎo)通；②Va1和Va3，Va2和Va4狀態(tài)始終相反；③不允許在P狀態(tài)和N狀態(tài)問(wèn)直接切換，中間必須經(jīng)過(guò)O狀態(tài)；④Va1，Va4不能同時(shí)導(dǎo)通；⑤每次狀態(tài)變換時(shí)，每個(gè)橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。表1為二極管箝位型三電平電路a相開關(guān)狀態(tài)。

3 新型三相三電平逆變電路
圖2為新型三相三電平逆變電路。該電路中，采用12個(gè)功率開關(guān)器件。以a相為例，分析新型三相三電平逆變電路工作原理。取兩電容間中點(diǎn)O為零電位。當(dāng)Va1，導(dǎo)通時(shí)，a相與電源正端相連，其電位Ud／2，處于P狀態(tài)；當(dāng)Va2，Va3導(dǎo)通時(shí)，a相通過(guò)Va2和Va3各自的續(xù)流二極管與O點(diǎn)相連，其電位為零，處于O狀態(tài)；當(dāng)Va4導(dǎo)通時(shí)，a相與電源負(fù)端相連，其電位為-Ud／2，處于N狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，新型三電平逆變電路的控制包括以下幾條規(guī)律(以a相為例)：①Va1，Va4不能同時(shí)導(dǎo)通；②Va1，Va3不能同時(shí)導(dǎo)通；③Va2，Va4不能同時(shí)導(dǎo)通：④不允許在P狀態(tài)和N狀態(tài)間直接切換，中間必須經(jīng)過(guò)O狀態(tài)；⑤每次狀態(tài)變換時(shí)，各橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。