一種新型的三相三電平逆變器

摘要：研制了一臺新型三相三電平逆變器實驗樣機，詳細分析了其電路的運行機理，通過與傳統二極管箝位型三電平逆變器比較，說明該新結構在驅動電路設計上大為簡化，同時分析了該結構在平衡所有器件損耗上的優點。通過分析發現，該電路能用目前主流的三電平調制方法進行調制，避免了新算法的開發需求。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行實驗，結果表明，該新型結構能穩定地完成逆變，證明了該新型結構的正確性與有效性。
關鍵詞：逆變器；三電平；空間矢量脈寬調制

1 引言
隨著現代電力電子和數字控制技術的快速發展，多電平逆變器受到廣泛關注，成為國內外研究熱點，特別是在高壓功率設備應用中受到極大關注。目前，在多電平拓撲結構中，二極管箝位型三電平逆變器應用最為廣泛。在此基礎上，有多種改進拓撲，如三電平有源中點箝位、三電平有源層疊中點箝位式變換電路，這些電路各有優點，但驅動電路設計都比較復雜。
這里提出一種新型三相三電平逆變電路，該電路簡化了驅動電路設計，并搭建了樣機模型，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個可關斷功率器件和6個箝位二極管，在直流側有兩個相同的電容C1，C2每個電容上分得電壓Ud／2，并通過箝位二極管使輸出電壓被箝位在直流側中點電位，故每個開關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。取兩電容問中點O為零電位。當Va1，Va2導通時，a相與電源正端相連，其電位為Ud／2；當Va2，Va3導通時，a相通過二極管VD1和VD2與O點相連，其電位為零；當Va3，Va4導通時，a相與電源負端相連，此時電位為-Ud／2。因此，在任何一個橋臂中，根據開關的不同組合共有3種狀態，分別稱為：P狀態，O狀態和N狀態。

根據上述分析，二極管箝位型三相三電平逆變器的基本控制應包括以下幾條基本規律(以a相為例)：①每種狀態下任一橋臂中總是相鄰兩個功率器件導通；②Va1和Va3，Va2和Va4狀態始終相反；③不允許在P狀態和N狀態問直接切換，中間必須經過O狀態；④Va1，Va4不能同時導通；⑤每次狀態變換時，每個橋臂只有一個功率器件動作。表1為二極管箝位型三電平電路a相開關狀態。

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個功率開關器件。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O為零電位。當Va1，導通時，a相與電源正端相連，其電位Ud／2，處于P狀態；當Va2，Va3導通時，a相通過Va2和Va3各自的續流二極管與O點相連，其電位為零，處于O狀態；當Va4導通時，a相與電源負端相連，其電位為-Ud／2，處于N狀態。

根據上述分析，新型三電平逆變電路的控制包括以下幾條規律(以a相為例)：①Va1，Va4不能同時導通；②Va1，Va3不能同時導通；③Va2，Va4不能同時導通：④不允許在P狀態和N狀態間直接切換，中間必須經過O狀態；⑤每次狀態變換時，各橋臂只有一個功率器件動作。