一種基于二極管鉗位型三電平逆變器的電路設計

雖然多電平拓撲結構種類(lèi)較多，但是大致可分為：二極管鉗位型、飛躍電容型和獨立直流電源級聯(lián)多電平這三種拓撲結構。這三種多電平拓撲結構各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中應用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓撲結構。本文的研究對象主要是二極管鉗位型三電平逆變器。在圖1所示的二極管鉗位型三電平逆變器中，相對逆變器直流側中點(diǎn)的參考電位0，逆變器的輸出電壓除了兩電平逆變器輸出電壓+UD/2和-UD/2，還增加了第三個(gè)電平值0。圖1中采用了12個(gè)可關(guān)斷功率器件和6個(gè)鉗位二極管，在直流側接有2個(gè)等電容量的電容分別是C1，C2，每個(gè)電容分擔的電壓為UD/2，并且通過(guò)鉗位二極管的鉗位作用，使每個(gè)開(kāi)關(guān)器件上承受的電壓限制在一個(gè)電容電壓(UD/2)上，從而大大減小了開(kāi)關(guān)器件的電壓應力。

圖1 二極管鉗位型三電平逆變器

與三相兩電平逆變器相同，三相三電平逆變器也可以用開(kāi)關(guān)變量Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不同的是這時(shí)A、B、C橋臂分別有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而Sa、Sb、Sc為三態(tài)開(kāi)關(guān)變量，如表1所列。

表1 三電平(NPC)逆變器A相開(kāi)關(guān)狀態(tài)

因此，A相輸出端A對電源中點(diǎn)0的電壓uAO可以用A相開(kāi)關(guān)變量Sa結合輸入直流電壓UD來(lái)表示

輸出線(xiàn)電壓可表示為

整理即為

=UD··(3)

與三相兩電平逆變器相同，三相三電平逆變器可以定義逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為(SaSbSc)，則三電平逆變器有27個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，分別對應著(zhù)19個(gè)特定的空間電壓矢量,如圖2所示，并將整個(gè)矢量空間分成24個(gè)扇區。由圖2可以看出，19種空間電壓矢量可分為長(cháng)矢量，中矢量，短矢量和零矢量，分別對應著(zhù)1個(gè)，2個(gè)和3個(gè)不同的冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如表2所列。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)及相應電壓矢量

圖2 三電平空間電壓矢量圖