新型三相三电平逆变电路设计方案

导读：提出的新型逆变电路结构简单，能平衡各功率器件间的损耗，且驱动电路设计简单，成本大大降低。实验表明，传统三电平调制算法也完全适用于该电路，避免了新算法的开发，可见该新型电路优于传统二极管箝位型三电平电路，且方便应用。

　　研制了一台新型三相三电平逆变器实验样机，详细分析了其电路的运行机理，通过与传统二极管箝位型三电平逆变器比较，说明该新结构在驱动电路设计上大为简化，同时分析了该结构在平衡所有器件损耗上的优点。

　　1 引言

　　随着现代电力电子和数字控制技术的快速发展，多电平逆变器受到广泛关注，成为国内外研究热点，特别是在高压功率设备应用中受到极大关注。目前，在多电平拓扑结构中，二极管箝位型三电平逆变器应用为广泛。在此基础上，有多种改进拓扑，如三电平有源中点箝位、三电平有源层叠中点箝位式变换电路，这些电路各有优点，但驱动电路设计都比较复杂。

　　这里提出一种新型三相三电平逆变电路，该电路简化了驱动电路设计，并搭建了样机模型，证明了该新型电路的有效性。

　　2 二极管箝位型三相三电平逆变电路

　　图1为二极管箝位型三相三电平逆变电路。在该电路中，采用12个可关断功率器件和6个箝位二极管，在直流侧有两个相同的电容C1,C2每个电容上分得电压Ud/2,并通过箝位二极管使输出电压被箝位在直流侧中点电位，故每个开关器件所承受的电压为Ud/2.

　　

　　以a相为例分析二极管箝位型三相三电平逆变器工作原理。取两电容问中点O为零电位。当Va1,Va2导通时，a相与电源正端相连，其电位为Ud/2;当Va2,Va3导通时，a相通过二极管VD1和VD2与O点相连，其电位为零；当Va3,Va4导通时，a相与电源负端相连，此时电位为-Ud/2.因此，在任何一个桥臂中，根据开关的不同组合共有3种状态，分别称为：P状态，O状态和N状态。

　　

　　根据上述分析，二极管箝位型三相三电平逆变器的基本控制应包括以下几条基本规律（以a相为例）：①每种状态下任一桥臂中总是相邻两个功率器件导通；②Va1和Va3,Va2和Va4状态始终相反；③不允许在P状态和N状态问直接切换，中间必须经过O状态；④Va1,Va4不能同时导通；⑤每次状态变换时，每个桥臂只有一个功率器件动作。表1为二极管箝位型三电平电路a相开关状态。

　　3 新型三相三电平逆变电路

　　图2为新型三相三电平逆变电路。该电路中，采用12个功率开关器件。以a相为例，分析新型三相三电平逆变电路工作原理。取两电容间中点O为零电位。当Va1,导通时，a相与电源正端相连，其电位Ud/2,处于P状态；当Va2,Va3导通时，a相通过Va2和Va3各自的续流二极管与O点相连，其电位为零，处于O状态；当Va4导通时，a相与电源负端相连，其电位为-Ud/2,处于N状态。

　　

　　根据上述分析，新型三电平逆变电路的控制包括以下几条规律（以a相为例）：①Va1,Va4不能同时导通；②Va1,Va3不能同时导通；③Va2,Va4不能同时导通：④不允许在P状态和N状态间直接切换，中间必须经过O状态；⑤每次状态变换时，各桥臂只有一个功率器件动作。

　　通过仔细分析可见，新型三电平逆变电路规律②，③与二极管箝位型三电平逆变电路规律②等效。表2为新型三电平电路a相开关状态。

　　

　　4 两种电路对比

　　若选用相同的功率开关器件和二极管，新型三电平逆变电路成本较低，且结构简单。而且，二极管箝位型三电平逆变电路存在固有缺点，即同一桥臂上的功率开关器件损耗分布不平均，在P状态时，Va1,Va2同时导通；在O状态时，Va2,Va3同时给触发信号，在同一时刻仅有一个功率器件导通；在N状态时，Va3,Va4同时导通，故Va2和Va3的损耗比Va1和Va2高，这给散热器设计造成一定困难。而新型三电平逆变电路在P状态时，Va1导通；在O状态时，Va2和Va3同时给触发信号，在同一时刻只有一个功率器件导通；在N状态时，Va4导通。故该新型三电平逆变电路能平衡所有器件的损耗。

　　对比表1,2可见，二极管箝位型三电平逆变电路调制方法完全适用于该新型三电平逆变电路，从而避免了新算法的开发。

　　5 驱动电路设计比较

　　5.1 二极管箝位型三相三电平逆变器驱动电路

　　实验样机中采用IR2110自举式驱动芯片。该芯片采用自举工作方式，只需一个电源即可驱动两个功率开关管，且价格便宜。二极管箝位型三相三电平逆变器a相桥臂驱动电路中，Va2无法稳定自举，故采用电源供电方式。由图1可知，在该结构中，只有Va4,Vb4,Vc4共地，Va1,Vb1,Vc1能自举，故该电路共需7对电源为驱动电路供电。

　　5.2 新型三相三电平逆变器驱动电路

　　新型三相三电平逆变器a相桥臂驱动电路中，Va3,Vb3,Vc3共地，Va4,Vb4,Vc4共地。而Va1与Va2,Vb1与Vb2,Vc1与Vc2分别共用一个驱动地，Va1,Vb1,Vc1能自举，Va2,Vb2和Vc2也能自举。故该电路只需2对电源为驱动电路供电，相对于二极管箝位型三相三电平逆变器，驱动电源数量大大减少。在工程实践中有重要意义。不仅降低了电路设计难度，且减少了成本，提高了系统稳定性。

　　6 实验

　　研发了二极管箝位型和新型三相三电平逆变器装置。功率开关管为IRF840,直流侧电压110 V,分压电容1 500μF,采用6N137和IR2110光耦隔离驱动，控制器为TMS320F2812.采用传统三电平空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。图3a为a相桥臂驱动波形，由于新型三电平逆变器采用传统三电平SVPWM算法，故其驱动波形与二极管箝位型三电平逆变器相同。图3b为两种逆变器空载时的线电压波形。实验结果表明，新型三电平逆变器能很好地完成逆变，且调制算法兼容传统三电平SVPWM算法，从而避免了新算法的开发。

　　

　　7 结论

　　通过分析发现，该电路能用目前主流的三电平调制方法进行调制，避免了新算法的开发需求。在自行研制的二极管箝位型三相三电平逆变器和新型三相三电平逆变器上进行实验，结果表明，该新型结构能稳定地完成逆变，证明了该新型结构的正确性与有效性。