導(dǎo)讀：提出的新型逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，能平衡各功率器件間的損耗，且驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡單，成本大大降低。實(shí)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)三電平調(diào)制算法也完全適用于該電路，避免了新算法的開發(fā)，可見該新型電路優(yōu)于傳統(tǒng)二極管箝位型三電平電路，且方便應(yīng)用。

　　研制了一臺(tái)新型三相三電平逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，詳細(xì)分析了其電路的運(yùn)行機(jī)理，通過與傳統(tǒng)二極管箝位型三電平逆變器比較，說明該新結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上大為簡化，同時(shí)分析了該結(jié)構(gòu)在平衡所有器件損耗上的優(yōu)點(diǎn)。

　　1 引言

　　隨著現(xiàn)代電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，多電平逆變器受到廣泛關(guān)注，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，特別是在高壓功率設(shè)備應(yīng)用中受到極大關(guān)注。目前，在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，二極管箝位型三電平逆變器應(yīng)用為廣泛。在此基礎(chǔ)上，有多種改進(jìn)拓?fù)?，如三電平有源中點(diǎn)箝位、三電平有源層疊中點(diǎn)箝位式變換電路，這些電路各有優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)都比較復(fù)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并搭建了樣機(jī)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(gè)可關(guān)斷功率器件和6個(gè)箝位二極管，在直流側(cè)有兩個(gè)相同的電容C1,C2每個(gè)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(cè)中點(diǎn)電位，故每個(gè)開關(guān)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(diǎn)O為零電位。當(dāng)Va1,Va2導(dǎo)通時(shí)，a相與電源正端相連，其電位為Ud/2;當(dāng)Va2,Va3導(dǎo)通時(shí)，a相通過二極管VD1和VD2與O點(diǎn)相連，其電位為零；當(dāng)Va3,Va4導(dǎo)通時(shí)，a相與電源負(fù)端相連，此時(shí)電位為-Ud/2.因此，在任何一個(gè)橋臂中，根據(jù)開關(guān)的不同組合共有3種狀態(tài)，分別稱為：P狀態(tài)，O狀態(tài)和N狀態(tài)。

　　根據(jù)上述分析，二極管箝位型三相三電平逆變器的基本控制應(yīng)包括以下幾條基本規(guī)律（以a相為例）：①每種狀態(tài)下任一橋臂中總是相鄰兩個(gè)功率器件導(dǎo)通；②Va1和Va3,Va2和Va4狀態(tài)始終相反；③不允許在P狀態(tài)和N狀態(tài)問直接切換，中間必須經(jīng)過O狀態(tài)；④Va1,Va4不能同時(shí)導(dǎo)通；⑤每次狀態(tài)變換時(shí)，每個(gè)橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。表1為二極管箝位型三電平電路a相開關(guān)狀態(tài)。

　　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(gè)功率開關(guān)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(diǎn)O為零電位。當(dāng)Va1,導(dǎo)通時(shí)，a相與電源正端相連，其電位Ud/2,處于P狀態(tài)；當(dāng)Va2,Va3導(dǎo)通時(shí)，a相通過Va2和Va3各自的續(xù)流二極管與O點(diǎn)相連，其電位為零，處于O狀態(tài)；當(dāng)Va4導(dǎo)通時(shí)，a相與電源負(fù)端相連，其電位為-Ud/2,處于N狀態(tài)。

　　根據(jù)上述分析，新型三電平逆變電路的控制包括以下幾條規(guī)律（以a相為例）：①Va1,Va4不能同時(shí)導(dǎo)通；②Va1,Va3不能同時(shí)導(dǎo)通；③Va2,Va4不能同時(shí)導(dǎo)通：④不允許在P狀態(tài)和N狀態(tài)間直接切換，中間必須經(jīng)過O狀態(tài)；⑤每次狀態(tài)變換時(shí)，各橋臂只有一個(gè)功率器件動(dòng)作。

　　通過仔細(xì)分析可見，新型三電平逆變電路規(guī)律②，③與二極管箝位型三電平逆變電路規(guī)律②等效。表2為新型三電平電路a相開關(guān)狀態(tài)。

　　4 兩種電路對(duì)比

　　若選用相同的功率開關(guān)器件和二極管，新型三電平逆變電路成本較低，且結(jié)構(gòu)簡單。而且，二極管箝位型三電平逆變電路存在固有缺點(diǎn)，即同一橋臂上的功率開關(guān)器件損耗分布不平均，在P狀態(tài)時(shí)，Va1,Va2同時(shí)導(dǎo)通；在O狀態(tài)時(shí)，Va2,Va3同時(shí)給觸發(fā)信號(hào)，在同一時(shí)刻僅有一個(gè)功率器件導(dǎo)通；在N狀態(tài)時(shí)，Va3,Va4同時(shí)導(dǎo)通，故Va2和Va3的損耗比Va1和Va2高，這給散熱器設(shè)計(jì)造成一定困難。而新型三電平逆變電路在P狀態(tài)時(shí)，Va1導(dǎo)通；在O狀態(tài)時(shí)，Va2和Va3同時(shí)給觸發(fā)信號(hào)，在同一時(shí)刻只有一個(gè)功率器件導(dǎo)通；在N狀態(tài)時(shí)，Va4導(dǎo)通。故該新型三電平逆變電路能平衡所有器件的損耗。

　　對(duì)比表1,2可見，二極管箝位型三電平逆變電路調(diào)制方法完全適用于該新型三電平逆變電路，從而避免了新算法的開發(fā)。

　　5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較

　　5.1 二極管箝位型三相三電平逆變器驅(qū)動(dòng)電路

　　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中采用IR2110自舉式驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用自舉工作方式，只需一個(gè)電源即可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率開關(guān)管，且價(jià)格便宜。二極管箝位型三相三電平逆變器a相橋臂驅(qū)動(dòng)電路中，Va2無法穩(wěn)定自舉，故采用電源供電方式。由圖1可知，在該結(jié)構(gòu)中，只有Va4,Vb4,Vc4共地，Va1,Vb1,Vc1能自舉，故該電路共需7對(duì)電源為驅(qū)動(dòng)電路供電。

　　5.2 新型三相三電平逆變器驅(qū)動(dòng)電路

　　新型三相三電平逆變器a相橋臂驅(qū)動(dòng)電路中，Va3,Vb3,Vc3共地，Va4,Vb4,Vc4共地。而Va1與Va2,Vb1與Vb2,Vc1與Vc2分別共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)地，Va1,Vb1,Vc1能自舉，Va2,Vb2和Vc2也能自舉。故該電路只需2對(duì)電源為驅(qū)動(dòng)電路供電，相對(duì)于二極管箝位型三相三電平逆變器，驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量大大減少。在工程實(shí)踐中有重要意義。不僅降低了電路設(shè)計(jì)難度，且減少了成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　6 實(shí)驗(yàn)

　　研發(fā)了二極管箝位型和新型三相三電平逆變器裝置。功率開關(guān)管為IRF840,直流側(cè)電壓110 V,分壓電容1 500μF,采用6N137和IR2110光耦隔離驅(qū)動(dòng)，控制器為TMS320F2812.采用傳統(tǒng)三電平空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法。圖3a為a相橋臂驅(qū)動(dòng)波形，由于新型三電平逆變器采用傳統(tǒng)三電平SVPWM算法，故其驅(qū)動(dòng)波形與二極管箝位型三電平逆變器相同。圖3b為兩種逆變器空載時(shí)的線電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型三電平逆變器能很好地完成逆變，且調(diào)制算法兼容傳統(tǒng)三電平SVPWM算法，從而避免了新算法的開發(fā)。

　　7 結(jié)論

　　通過分析發(fā)現(xiàn)，該電路能用目前主流的三電平調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制，避免了新算法的開發(fā)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該新型結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定地完成逆變，證明了該新型結(jié)構(gòu)的正確性與有效性。