導讀：提出的新型逆變電路結構簡單，能平衡各功率器件間的損耗，且驅動電路設計簡單，成本大大降低。實驗表明，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，且方便應用。

　　研制了一臺新型三相三電平逆變器實驗樣機，詳細分析了其電路的運行機理，通過與傳統(tǒng)二極管箝位型三電平逆變器比較，說明該新結構在驅動電路設計上大為簡化，同時分析了該結構在平衡所有器件損耗上的優(yōu)點。

　　1 引言

　　隨著現(xiàn)代電力電子和數(shù)字控制技術的快速發(fā)展，多電平逆變器受到廣泛關注，成為國內(nèi)外研究熱點，特別是在高壓功率設備應用中受到極大關注。目前，在多電平拓撲結構中，二極管箝位型三電平逆變器應用為廣泛。在此基礎上，有多種改進拓撲，如三電平有源中點箝位、三電平有源層疊中點箝位式變換電路，這些電路各有優(yōu)點，但驅動電路設計都比較復雜。

　　這里提出一種新型三相三電平逆變電路，該電路簡化了驅動電路設計，并搭建了樣機模型，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個可關斷功率器件和6個箝位二極管，在直流側有兩個相同的電容C1,C2每個電容上分得電壓Ud/2,并通過箝位二極管使輸出電壓被箝位在直流側中點電位，故每個開關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O為零電位。當Va1,Va2導通時，a相與電源正端相連，其電位為Ud/2;當Va2,Va3導通時，a相通過二極管VD1和VD2與O點相連，其電位為零；當Va3,Va4導通時，a相與電源負端相連，此時電位為-Ud/2.因此，在任何一個橋臂中，根據(jù)開關的不同組合共有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功率器件導通；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不能同時導通；⑤每次狀態(tài)變換時，每個橋臂只有一個功率器件動作。表1為二極管箝位型三電平電路a相開關狀態(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個功率開關器件。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O為零電位。當Va1,導通時，a相與電源正端相連，其電位Ud/2,處于P狀態(tài)；當Va2,Va3導通時，a相通過Va2和Va3各自的續(xù)流二極管與O點相連，其電位為零，處于O狀態(tài)；當Va4導通時，a相與電源負端相連，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不能同時導通；②Va1,Va3不能同時導通；③Va2,Va4不能同時導通：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，各橋臂只有一個功率器件動作。

　　通過仔細分析可見，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相開關狀態(tài)。

　　4 兩種電路對比

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

　　對比表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 驅動電路設計比較

　　5.1 二極管箝位型三相三電平逆變器驅動電路

　　實驗樣機中采用IR2110自舉式驅動芯片。該芯片采用自舉工作方式，只需一個電源即可驅動兩個功率開關管，且價格便宜。二極管箝位型三相三電平逆變器a相橋臂驅動電路中，Va2無法穩(wěn)定自舉，故采用電源供電方式。由圖1可知，在該結構中，只有Va4,Vb4,Vc4共地，Va1,Vb1,Vc1能自舉，故該電路共需7對電源為驅動電路供電。

　　5.2 新型三相三電平逆變器驅動電路

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

　　6 實驗

　　研發(fā)了二極管箝位型和新型三相三電平逆變器裝置。功率開關管為IRF840,直流側電壓110 V,分壓電容1 500μF,采用6N137和IR2110光耦隔離驅動，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相橋臂驅動波形，由于新型三電平逆變器采用傳統(tǒng)三電平SVPWM算法，故其驅動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的線電壓波形。實驗結果表明，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行實驗，結果表明，該新型結構能穩(wěn)定地完成逆變，證明了該新型結構的正確性與有效性。