三电平逆变研究

1  引言

    由于PWM控制一般要求比较高的开关频率才能有效地降低谐波，因而了在大功率逆变器中的应用。因为大功率开关器件的开关速度有限，不能实现高频PWM控制，即使能采用高频PWM控制，由于电源功率大，功率器件的开关损耗是极为严重的。使得开关器件的冷却问题难以解决。因此波形重构技术为此而诞生。

    所谓波形重构，即是在主电路上采用几个逆变器，使他们的输出波形在相位上错开一定的角度进行叠加，从而获得接近正弦波的阶梯波形，以减小谐波含量。本文将讨论电压型三电平的波形重构。

2  三电平PWM控制原理

    三电平逆变器结构如图1所示。采用两个主管串联，中间一对二极管嵌位的结构。可以看出，各主管承受的反向电压是中间回路直流电压的一半，即主管承受的耐压比两电平逆变器可降低一半。

图 1      三电平逆变器主电路

其工作原理可以由一相桥臂分析，以a相桥臂为例:当 VT1、VT2开通，VT3、VT4关断时输出电压位+Ud/2; 当VT2、VT3开通，VT1、VT4关断时输出电压为0; 当VT3、VT4开通，VT1、VT2关断时输出为－Ud/2。如表1所示。

    b和c相的开关状态和输出的电压与a相相同，只是在相位上相差2π/3。通过此种变换规律，就可以得到三相三电平波形。当采用SPWM控制时，每相桥臂4个开关管的开关状态脉冲方式由三角波和正弦波的交点确定。

3  三电平波形重构

    三电平波形重构的结构如图2。采用两组如图1所示的三电平逆变器并联而成，两组逆变器的输出由一个变压器进行串联进行叠加。脉冲发生器pulse产生两组脉冲pulse1，pulse2分别向逆变器1(three-level Bridge 1)、逆变器2(three-level Bridge 2)提供脉冲。

图2   三电平逆变器波形重构主电路

    现以a相为例来分析三电平波形重构的原理。由于两组逆变器是通过变压器进行串联的，相当于两组中的逆变器1中产生的电压与逆变器2产生的电压相减。所以要进行波形重构，两组逆变器产生的电压波形在逆变器1产生+Ud/2，逆变器2只能产生0或-Ud/2; 逆变器1产生     -Ud/2时，逆变器2产生+Ud/2或0; 逆变器1产生0电压时, 逆变器2可以产生+Ud/2或0或-Ud/2。逆变器1，逆变器2产生的电压如表2。b相、c相的输出和a相相同，只是在相位上相差2π/3。

    从表2可以看出重构后的相电压输出电压有5个电平+Ud、+Ud/2、0、-Ud/2、-Ud, 输出电压更接近正弦波。

    用Simulink对三电平波形重构进行仿真。图3为脉冲发生器，利用最简单的脉冲PWM同步调制进行了仿真，调制比m=0.85，直流电压为200V，图4为两组逆变器a相对应管的脉冲。得出三电平相电压的谐波为24.56%。线电压的谐波为21.39%; 而波形重构后的三电平相电压谐波为23.73%，线电压谐波为17.72%。 

图3     脉冲发生器

图4    两组逆变器a相对应管的脉冲

图5    三电平波形重构a相电压波形

图6     三电平波形重构ab线电压波形

    图5为三电平波形重构a相电压波形。图6为三电平波形重构ab线电压波形,可以看出，在直流侧电压相同的情况下，三电平波形重构输出的相电压提高1倍，输出线电压增加2倍。输出的线电压谐波低。

4  结束语 

    本文探讨了三电平的控制原理，分析了波形重构脉冲发生器的原理，给出了仿真波形。得出通过波形重构可以提高输出的线电压、相电压，减少相电压、线电压的谐波的结果。但是从图2可以看出波形重构增加了系统结构的复杂性，使得系统控制变得更困难。