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。

3 三电平逆变器的载波调制策略

三电平逆变器的载波调制策略分为基于多载波的单极性调制策略和基于单载波的双极 性调制策略。多载波调制技术就是利用一个调制信号波(一般为正弦波)与多个载波信号(一般 为三角波)相交，来产生开关器件的驱动波形。对于一个N 电平的逆变器，需要N-1 个载波， 这些载波具有相同的幅值和频率，把这些载波按照连续的带宽进行排列，完全分布在逆变器 的线性调制区。调制波是以0 参考轴为中心的。这种调制技术的总体思想就是：在调制波的 正半周，调制波与0 参考轴上的所有载波进行比较，当调制波每大于一个载波时，便输出一 个正的台阶电压，否则输出0 电平；在调制波的负半周，调制波与0 参考轴下的所有载波进 行比较，当调制波每小于一个载波时，便输出一个负的台阶电压，否则输出0 电平。

4 仿真研究与分析

在Matlab/Simulink 下搭建仿真模型进行仿真。改变逆变器的载波频率，观测电压波形。 分别设定载波比为80，128, 200，即IGBT 的开关频率为4000Hz，6400Hz, 10000Hz（IGBT 的最大开关频率为20000Hz），依次记录逆变器的输出电压波形。

从上述波形图中可以看出：开关频率高的逆变器输出波形明显比开关频率低的逆变器输 出波形好，谐波含量低。同时也可发现，当开关频率提高到一定的时候，谐波含量降低的程 度会变化很小，相反，由于此时开关频率太高，而将会引起开关损耗的增加。所以在对逆变 器进行动态仿真时开关频率设为kHz。

5 结论

本文深入分析和研究了三电平逆变器主电路的基本原理和基于载波的调制策略。对不 同载波频率下的逆变器进行了仿真分析，所得到的结论在实际应用中具有实际指导意义。

本文作者创新点：用MATLAB/SIMULINK 验证了载波调制策略应用在多电平逆变器的 优越性。