三電平

　　三電平逆變器：拓?fù)錇樵趦蓚€電力電子開關(guān)器件串聯(lián)的基礎(chǔ)上，中性點(diǎn)加一對箝位二極管的三電平逆變器，又稱為中性點(diǎn)箝位型（Neutral Point Clamped，簡稱NPC）三電平逆變器，所示即為三相三電平NPC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩個直流分壓電容C1=C2、三相逆變電路組成。負(fù)載為三相感應(yīng)電機(jī)。

　　三電平變換器（Tree．Level Inverter）的橋臂上有4個電力半導(dǎo)體器件，它通過對直流側(cè)的分壓和開關(guān)動作的不同組合，實(shí)現(xiàn)多電平階梯波輸出電壓，可以使波形更加接近正弦波。

　　兩電平apf和三電平apf的區(qū)別

　　電力電子技術(shù)的應(yīng)用包括四大類基本變流電路，即AC-DC（整流）、DC-DC（升降壓斬波）、AC-AC（變頻變相）、DC-AC（逆變）變流電路。由此產(chǎn)生的整流器，逆變器，變流器（雙向整流逆變）等裝置在工業(yè)生活中的應(yīng)用日益廣泛，無論是在UPS，新能源發(fā)電（光伏、風(fēng)電），電能質(zhì)量治理（無功、諧波），還是電動汽車等領(lǐng)域，對系統(tǒng)效率的期望比以往更高。在市電等級應(yīng)用領(lǐng)域中，通常采用的是兩電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而多電平變流器拓?fù)涞奶岢?，就是為了?shí)現(xiàn)中高壓應(yīng)用的目標(biāo)。本文將對常見的兩電平、三電平變流器拓?fù)湓磉M(jìn)行分析介紹。

　　1.一種典型的兩電平-三相電壓型橋式PWM變流器電路拓?fù)淙缦聢D所示：

　　電路直流側(cè)通常只有一個電容器就可以，為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標(biāo)出理想中點(diǎn)N。其基本工作方式為180度導(dǎo)電，即每個橋臂導(dǎo)電角度為180度，同一相（即同一橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120度。在任一瞬間，將有三個橋臂同時(shí)導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行，因此也稱為縱向換流。

　　下面來分析該電路的工作波形，對于U相輸出來說，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，Uun=Ud/2；V4導(dǎo)通時(shí)，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V，W兩相情況類似，只是相位依次相差120度。通常我們所說的幾電平指的是逆變器輸出的相電壓，對兩電平而言，逆變器輸出的相電壓只有上述分析的兩種電平：±Ud/2。

　　負(fù)載線電壓可分別由公式求出：Uuv=Uun-Uvn；Uvw=Uvn-Uwn；Uwu=Uwn-Uun

　　可以看出負(fù)載線電壓有三個值：±Ud，0.

　　對該電路的工作原理再作如下說明：在整流運(yùn)行狀態(tài)下，Ua》0時(shí)，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls組成升壓斬波電路。V4導(dǎo)通時(shí)，Ua通過V4，VD6（或VD2）向Ls儲能，當(dāng)V4關(guān)斷時(shí)，Ls儲存的能量通過VD1向直流側(cè)電容充電。電路為升壓斬波，若控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，容易損壞器件。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，對于開關(guān)管（IGBT）的驅(qū)動控制通常采用PWM（PulseWidthModulation）控制技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含幅值和形狀）。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化從而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。

　　2.在了解兩電平變流器的工作原理基礎(chǔ)上，我們可以看出，如果需要變流器承受更高的電壓，就需要選用耐壓等級更高的IGBT，或者采用IGBT串聯(lián)的方式。但I(xiàn)GBT的電壓等級不可能太高（通用電壓等級為600V/1200V/1700V/3300），IGBT是高速器件，串聯(lián)比較困難，另外采用兩電平電路時(shí)di/dt較高，波形不太理想。因此我們考慮采用多電平逆變電路。

　　多電平變流器的采用，不僅可以提高電壓等級，而且獲得了更多階的輸出電壓，這將使得輸出波形更接近于正弦波，且諧波含量少，電壓變化率小，輸出容量大。下面對常見的一種三電平拓?fù)潆娐愤M(jìn)行分析

　　逆變器每一相需要4個IGBT開關(guān)管、4個續(xù)流二極管、2個箱位二極管;整個三相逆變器直流側(cè)由兩個電容串聯(lián)起來來支撐并均衡直流側(cè)電壓。通過一定的開關(guān)邏輯控制，交流側(cè)產(chǎn)生三種電平的相電壓，在輸出端合成正弦波。

　　以U相為例：

　　當(dāng)V11和V12（或VD11和VD12）導(dǎo)通，V41和V42關(guān)斷時(shí)，U點(diǎn)和O點(diǎn)電位差為Ud/2;

　　當(dāng)V41和V42（或VD41和VD42）導(dǎo)通，V11和V12關(guān)斷時(shí)，U和O點(diǎn)的點(diǎn)位差為-Ud/2；

　　當(dāng)V12或V41導(dǎo)通，V11和V42關(guān)斷時(shí)，U和O點(diǎn)電位差為0。

　　可以看出三電平電路的輸出相電壓由三種電平：±Ud/2，0；同樣的的得出輸出線電壓有五種電平：±Ud，±Ud/2，0。

　　三電平拓?fù)涞囊粋€突出優(yōu)點(diǎn)就是每個主開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此適合于高壓大容量應(yīng)用場合。與此類似，還可以構(gòu)成五電平等更多電平的電路。

　　兩電平與三電平對比。

　　1）損耗計(jì)算：每個開關(guān)周期中，兩電平輸出為正、負(fù)電平，三電平輸出為正、負(fù)、零電平。因此兩電平拓?fù)鋼p耗較高。

　　2）輸出諧波：輸出電平臺階越多，波形越趨近與正弦波，帶出的諧波越少，系統(tǒng)效率得以提升。

　　3）器件耐壓：三電平中主開關(guān)承受電壓為直流側(cè)電壓一半，兩電平則為全部母線電壓。但是會增加使用的器件數(shù)量。

　　4）三電平可以降低開關(guān)頻率，較少開關(guān)損耗。