三电平逆变器基本介绍

三电平逆变器基本介绍

一、三电平逆变器的基本工作原理

DC V 2

1DC V 2

1

图1 三电平逆变器主电路

图2 四个开关管的驱动信号波形

当u 时，u ，且表示Q1通Q3断，S 表示

Q1断Q3通；

0>DC V S 2/1**=1*=S 0*= 当u 时，u ，且表示Q2通Q4断，表示Q2断Q4通；

0

*=S 由以上可见，S 代表了Q1通（输出电压的正半周）或Q2通（输出电压的负半周），而由图2可见，Q1正半周与Q2负半周的驱动波形组合起来与原两电平的上管驱动波形完全一致，因此可以直接在原两电平的控制器平台上进行一定的修改，即可得到适合于三电平的控制器。

1*=

<−=−>+==时时0u 41

*42/1*)1(0u 41*42/1*DC m t DC DC DC m t DC DC V v V V V S V v V V V S u

图3 三电平逆变器模型（包括调制部分）

图4 三电平逆变器的控制框图

二、三电平逆变器的缓冲电路

DC V 2

1DC V 2

1

图5 实验中所采用的NPC 缓冲电路

实验中发现在突加RCD 负载时会在Q2、Q3上产生很大的电压尖峰，经仔细分析，主要有以下两个方面的原因：

第一：在突加RCD 负载时会产生很大的电流尖峰，由于控制板在设计时考虑的状况是当出现过流信号时同时封锁Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号，从而导致A 点电位在封锁Q1、Q2、Q3、Q4驱动瞬间的变化最大幅值可以达到V ，很类似于两电平逆变器工作时的状态，容易导致开关管上出现电压尖峰。

DC 解决办法：当出现电流尖峰时仅仅封锁Q1、Q4的驱动信号，而Q2、Q3的驱动不封锁，仍然保持原状态不变，如此一来在封锁Q1、Q4驱动瞬间A 点电位的变化最大幅值仅仅为1，因此大大减小了开关管上的电压尖峰。

DC V 2/第二：在突加RCD 负载时输出电压的正负半周会出现误判的状况。

以一个实际的工作状况对此加以说明，假设当前处于桥臂输出电压的正半周，但是由于此时突加RCD 负载因此误判为是在电压的负半周，因此会做以下操作：将原来处于开关状态的Q1改为常断；将原来常通的开关管Q2改为开关状态；将原来处于开关状态的开关管Q3改为常通；将原来常断的开关管Q4改为开关状态，而在此转换过程当中，负载电流很大，很容易在开关管上产生电压尖峰。

图6 三电平逆变器的控制框图

解决办法：在程序里再加一条粗略判断桥臂输出电压正负半周的标准，即依靠wSinPointer来近似判别当前桥臂输出电压的正负半周。程序里目前所采用的方法是：当12

三、三电平电路中开关管直通问题分析

DC V 2

1DC V 2

1

图7 三电平T 字型拓扑电路

可能出现Q1与Q4同时导通的状况就是在输出电压由正半周转入负半周或者是输出电压由负半周转入正半周时，此时所考虑的相邻两个开关周期同时包含有正半周、负半周各一个开关周期。

由于调制信号s(t)满足：

在输出电压的正半周，满足：s(t)=2*m(t)-1/2T1PR 其中m(t)>0

在输出电压的负半周，满足：s ,(t)=2*m ,(t)+1/2T1PR 其中m ,(t)<0

而且，正半周Q1出现满脉宽对应于此时的s(t)取最大值；

而负半周Q4出现满脉宽则对应于此时的s,(t)取最小值，在相邻两个开关周期内如果能够保证Q1与Q4不会同时取较大的脉宽，实际上也就可以保证Q1与Q4不会同时导通了。

在稳态时，由于在一个基波周期内m(t)是连续的函数（当然s(t)则只是分段连续的函数），而m,(t)与m(t)之间的时间差异仅仅为一个开关周期，因此m,(t)与m(t)数值相差很小，从而也就不可能使得正半周最后一个开关周期内s(t)取最大的值（最大取值为T1PR）而紧接着的负半周第一个开关周期s,(t)取最小的值（最小取值为0），因此稳态时也就不存在Q1与Q4同时导通的可能性了。

但是，在动态过程中（如突加RCD负载）由于会出现正负半周判断失误的状况（参考文献1），有可能会使得Q1与Q4同时输出较大的脉宽。假设当前时刻为输出电压正半周的峰值点处，显然此时Q1为满脉宽，Q4断态，若刚好在此时刻突加RCD 负载，由于控制的原因使得m(t)取值为负，从而导致输出电压正负半周判断出现错误，因此立即关断Q1开通Q4，如果由控制计算出的m,(t)足够小从而使得此时的s,(t)=2*m,(t)+1/2T1PR会限幅至0，那么Q4一旦开通就输出满脉宽，由于Q1是满脉宽关断而Q4是满脉宽开通，因此就使得Q1与Q4存在同时导通的可能。

直观上看来，T字型三电平拓扑中Q1与Q4之间必须存在

死区时间才能保证不会导致V 直通，这一点的分析与解决办法见参考文献1。但是，在I 字型电路拓扑当中，也存在V 直通的可能性，分析如下：

DC DC 设当前时刻处于输出电压的正半周，而且此时各个开关管的开关状态为：Q1导通、Q2导通、Q3关断、Q4关断，此时若突然切换到输出电压的负半周（切换到负半周的原因很多，比方说输出电压自然过零时从正半周穿越到负半周，或者由于突加RCD 负载导致控制上判断失误而强迫转入负半周），则有可能各个开关管的状态立即转为：Q1关断、Q2关断、Q3开通、Q4开通，即存在Q1、Q2由导通转为关断，同时Q3、Q4由关断转为导通，由于IGBT 开关管的开通时间远远小于其关断时间（这也是挂在直流电压源上的同一桥臂开关管彼此之间必须设置死区时间的原因），因此如果在正半周Q1是满脉宽（而Q2常通，肯定是满脉宽），而且负半周Q4也是满脉宽（而Q3常通，肯定是满脉宽），那么就有可能导致V 直通。由此可见，I 字型电路与T 字型电路一样存在V 直通的问题。

DC DC