三電平逆變器主電路及調制策略研究

三電平逆變器作為多電平逆變器的一種,在高壓大功率場合獲得了較為廣泛的應用。研究和分析了三電平逆變器主電路的原理和調制策略,并在Matlab/Simulink下進行了仿真分析。

1 引言

三電平結構作為多電平逆變器拓撲結構之一，自日本長岡科技大學難波江章（A.Nabae） 等人于1980 年在IEEE 工業應用年會提出以來，這種拓撲結構在實際工業現場獲得了廣泛 的應用。三電平逆變電器與普通的二電平逆變器相比，在相同載波頻率下，逆變器的開關頻 率要低一些，輸出波形的諧波分量會更少一些，這樣不僅減少了諧波損耗與開關損耗，提高 了系統的效率，同時也減少了對周圍環境的電磁干擾。

2 三電平逆變器原理分析

圖 1 為中點箝位型三相三電平逆變器拓撲結構。該拓撲的直流側串聯兩個電容分壓實現 三個電平，每個橋臂用4 個功率開關串聯，用兩個串聯的二極管和內部的功率開關并聯，二 極管的中心和電容的中心連接，實現箝位，即中點箝位逆變器。

如圖所示，每一相都需要4 個主開關器件、4 個續流二極管、兩個箝位二極管，當V11 和V12 同為導通時，輸出端Uo 對O 點的電平為Ed/2；當V12 和V13 同為導通時，輸出端 Uo 和O 點相連，因此它的電平為0；當V13 和V14 同為導通時，輸出端對O 點的電平為- Ed/2，所以每相橋臂能輸出三個電平狀態。一相橋臂電路的穩態工作情況具體敘述如下：開關管 V11 和V12 同時導通時，V13 和V14 同時關斷，若電流從逆變電路流向負載，即從p 點經 由V11 和V12 到達輸出端，忽略開關器件的正向導通壓降，輸出端的電位等同于p 點的電 位，即Ed/2；若電流從負載流向逆變電路，這時電流從輸出端分別流經續流二極管D12、 D11 流進p 點，這時輸出端的電位仍等同于p 的電位。

表 1 中列出了上面分析的結果，可以看到三種穩態工作模式的開關狀態和輸出端電壓 的對應關系，需要注意的是，根據上面分析的工作原理，主開關管V11 和V14 不能同時導 通，且V11 和V13、V12 和V14 的工作狀態恰好相反，即工作在互補狀態，平均每個主開 關管所承受的正向阻斷電壓為Ed/2，這也是三電平逆變器的基本控制規律之一。另外，從表 中可以明顯看出，每相橋臂中間的兩個IGBT 導通時間最長，導致發熱量也多一些，因此實 際系統散熱設計應以這兩個IGBT 為準。

根據前面分析的電路工作情況，可以繪出中點箝位型三電平逆變器的三相輸出端電壓波形，如圖所示，其中α為觸發延遲角。

3 三電平逆變器的載波調制策略

三電平逆變器的載波調制策略分為基于多載波的單極性調制策略和基于單載波的雙極 性調制策略。多載波調制技術就是利用一個調制信號波(一般為正弦波)與多個載波信號(一般 為三角波)相交，來產生開關器件的驅動波形。對于一個N 電平的逆變器，需要N-1 個載波， 這些載波具有相同的幅值和頻率，把這些載波按照連續的帶寬進行排列，完全分布在逆變器 的線性調制區。調制波是以0 參考軸為中心的。這種調制技術的總體思想就是：在調制波的 正半周，調制波與0 參考軸上的所有載波進行比較，當調制波每大于一個載波時，便輸出一 個正的臺階電壓，否則輸出0 電平；在調制波的負半周，調制波與0 參考軸下的所有載波進 行比較，當調制波每小于一個載波時，便輸出一個負的臺階電壓，否則輸出0 電平。

4 仿真研究與分析

在Matlab/Simulink 下搭建仿真模型進行仿真。改變逆變器的載波頻率，觀測電壓波形。 分別設定載波比為80，128, 200，即IGBT 的開關頻率為4000Hz，6400Hz, 10000Hz（IGBT 的最大開關頻率為20000Hz），依次記錄逆變器的輸出電壓波形。

從上述波形圖中可以看出：開關頻率高的逆變器輸出波形明顯比開關頻率低的逆變器輸 出波形好，諧波含量低。同時也可發現，當開關頻率提高到一定的時候，諧波含量降低的程 度會變化很小，相反，由于此時開關頻率太高，而將會引起開關損耗的增加。所以在對逆變 器進行動態仿真時開關頻率設為*kHz。

5 結論

本文深入分析和研究了三電平逆變器主電路的基本原理和基于載波的調制策略。對不 同載波頻率下的逆變器進行了仿真分析，所得到的結論在實際應用中具有實際指導意義。

本文作者創新點：用MATLAB/SIMULINK 驗證了載波調制策略應用在多電平逆變器的 優越性。