[科普中國]-中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器

中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個串聯(lián)的電容C1，C2，兩電容之間的點(diǎn)稱為中點(diǎn)Z，因此中點(diǎn)鉗位型逆變器也被稱作二極管鉗位逆變器；每一相包含四組IGBT/Diode（絕緣柵門極晶閘管/二極管）Tx1、Tx2、Tx3和Tx4；兩個鉗位二極管Dx5和Dx6（x=a，b，和c）。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出來，中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的一個很重要的問題就是：中點(diǎn)電壓平衡問題。理想的情況下，直流電容C1，C2的電壓均為E（E為直流電壓源Vdc的1/2），但是流過中點(diǎn)Z的電流對電容充電或者放電，加之電容保持電壓的能力有限，會導(dǎo)致電容C1，C2的電壓發(fā)生變化。工況惡劣時，會導(dǎo)致上下兩電容電壓差過大，輸出電壓電流波形畸變，甚至損壞功率半導(dǎo)體器件1。

中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的工作原理為了獲得三電平，每一相的四組開關(guān)（IGBT/Diode）只能有相鄰的兩組開關(guān)同時導(dǎo)通，即Tx1-Tx2，Tx2-Tx3，或者Tx3-Tx4。用字母P，O和N表示三組開關(guān)的狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)如表1所示。為了盡可能地減小開關(guān)損耗，一次開關(guān)狀態(tài)的改變只允許一個開關(guān)進(jìn)行動作，即P?O和O?N。開關(guān)Tx1和開關(guān)Tx3狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系，開關(guān)Tx2和開關(guān)Tx4狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系，要避免出現(xiàn)多個開關(guān)同時導(dǎo)通現(xiàn)象，否則會發(fā)生短路，燒毀元器件。

|| || 表1開關(guān)狀態(tài)表

三電平NPC逆變器的工作狀態(tài)是指開關(guān)狀態(tài)和負(fù)載電流，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對稱性，本文只分析P→O開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)負(fù)載電流的方向不同，又可以分為iph>0和iph0時，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2（a）和（b）。?

P狀態(tài)時，開關(guān)Tx1和Tx2導(dǎo)通，Tx3和Tx4關(guān)斷。電流iph流過Tx1和Tx2的兩個IGBT。輸出端相對于中點(diǎn)Vaz的電壓為vdc/2。

O狀態(tài)時，開關(guān)Tx2和Tx3導(dǎo)通，Tx1和Tx4關(guān)斷。由于開關(guān)Tx1突然關(guān)斷，電流iph從Tx1的IGBT強(qiáng)制換流到鉗位二極管Dx5，仍然通過Tx2的IGBT流到輸出端。此時Vaz電壓為0。

當(dāng)iph