三电平逆变器
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第5部分：三电平逆变器
1
5.1简 介 5.2 三电平逆变器 5.3 空间矢量调制 5.4 中点电压控制 5.5 多电平二极管箝位式逆变器 5.6 应用实例
2
5.1 简 介
中点箝位式（NPC）逆变器 :
通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是 二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三 种电平。
10
工况1：iA>0时换相 开关状态：由[O]到[P]变换
•开关状态为[O]时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA>0，DZ1导通，S2、S3上 电压VS2=VS3=0,S1、S4上的 电压为E；
•在 时间段内，S3开始关断，
iA流过路径保持不变，S3完全 关断后，由分压电阻R3、R4 作用，S3、S4上的电压为
VS3=VS4=E/2；
•开关状态为[P]，S1导通，DZ1 承受反压关断，负载电流从DZ1
换相到S1，VS3=VS4=E。
11
工况2：iA<0时换相 开关状态：由[O]到[P]变换
•开关状态为[O]时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA<0，DZ2导通，S1、S4上的 电压为E；
•在 时间段开始关断S3，由于
12
注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间 进行切换
13
5.3 空间矢量调制
1. 静止空间矢量
三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有Vv1827种可能的开关状态组合。
14
零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]， [OOO]和[NNN]三种开关状态；
• 小矢量(V1 ~ V6)，幅值为 Vd 3每个 小矢量包括两种开关状态，一种为 开关状态[P]，另外一种为[N]，因 此可以进一步分为P型和N型小矢量；
• 中矢量（V7~ V12）幅值为： • 大矢量（V13~ V18）。幅值为：3Vd 3
2Vd 3
15
2. 作用时间计算
•将空间矢量图分为六个三 角形扇区（Ⅰ~Ⅵ）
•每个扇区双分为四个三角 形区域（1~4）
16
三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：
当Vref落入扇区Ⅰ的2区时，最近的三个
三电平逆变器特点:
•输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD 。 •无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。
3
1. 拓扑结构
S1
D1
+ Dz1 S2
E
Cd1
D2
-
Vd Z
iZ
A
+ Dz2
E
S3
D3
Cd2
-
S4
D4
5.2 三电平逆变器
D1~D4:反并联二极管 S1~S4:功率器件GCT/IGBT DZ1，DZ2:钳位二极管
iA
B
iB
O
C
iC 负载
逆变器直流侧的两个电容给出了
中点Z，S2和S3导通时。A点通 过一个箝位二极管连接到中点,每 个直流电容上的电压E，通常为 总直流电压Vd的一半。
4
2.开关状态 对A桥臂：
• 开关状态[P]：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=+E。
• 开关状态[N]：桥臂下端两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=-E 。
8
3.换相过程
以开关状态从[O]变到[P] (S3关断、S1开通）的情况为例： S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间 。
9
换相过程假设：
•由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变； •直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电 压为E； •所有的有源开关都为理想开关。
• 开关状态[O]：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在 零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。 例如，正向负载电流（IA>0）强迫DZ1导通，则A端 通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。
5
开关状态的定义:
开关状态
器件开关状态（A相）
逆变器端
S1
S2
S3
S4
电压VAZ
[P]
通
通
断
断
E
[O]
断
通Байду номын сангаас
通
断
0
[N]
断
断
通
通
-E
6
开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZ
Vg1~Vg4: 开关S1~S4的相应 门极驱动信号。 Vg1, Vg3:互补。 Vg2, Vg4:互补。 VAZ有三个电平：+E、0、-E 三电平逆变器由此命名。
7
三电平逆变器端电压和线电压波形
线电压VAB=VAZ-VBZ 包括五个电平: +2E、+E、0、-E、-2E
Tc
3Vref Vd
(cos
j sin )Ts
虚部
:
3 2
Tb
3 2
Tc
3 Vref Vd
(sin )Ts
又因为： Ts Ta Tb Tc
所以有：
Ta Ts[1 2ma sin ]
Tb
Ts
2ma
sin
3
1
Tc
Ts
1
2ma
sin
3
式中 的取值范围 为：0 3 ma 为调制因数
感性负载电流iA不能立刻改变 方向，iA从S3换相到二极管上， 使D1、D2导通，VS1=VS2=0, S3关断期间，由于DZ2的存在， VS4不会低于E；由于S3关断时 的等效电阻小于S4的断态电阻， VS4不会低于E。所以VS3从零 上升到E，VS4保持为E
•开关状态为[P]，S1导通不会影 响电路运行，因为D1、D2已经 导通。所以负载电流不会流过 S1、S2。
ma
3 Vref Vd
0 ma 1
19
20
3. Vref位置与保持时间之间的关系
•Vref指向区域4的中点Q。
•Q和最近三个矢量V2、V7 和V14之间的距离一样，因 此作用时间相同。
•当Vref沿着虚线从Q点向 V2移动时，V2对Vref的影 响增强，使得V2的保持时 间变长。
得
1 3
Vd
Ta
3 3
Vd
e
j
6
Tb
1 3
Vd
e
j
3
Tc
Vref e jTs
得
1 3 Vd Ta
3 3 Vd
cos
6
j sin
6
Tb
1 3Vd
cos
3
j sin
3
Tc
Vref
cos
j sin
Ts
18
作用时间推导：
将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到
实部:Ta
3 2
Tb
1 2
静态矢量为V1、V2和V7则有：
vvv v
V1Ta
V7Tb V2Tc Vref Ta Tb Tc Ts
Ts
式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7 和V2的作用时间。
17
作用时间推导：
由
v V1
1 3 Vd
v V2
1 3
Vd
e
j
3
v V7
3 3
Vd
e
j
6
v Vref
Vref e j
1
5.1简 介 5.2 三电平逆变器 5.3 空间矢量调制 5.4 中点电压控制 5.5 多电平二极管箝位式逆变器 5.6 应用实例
2
5.1 简 介
中点箝位式（NPC）逆变器 :
通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是 二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三 种电平。
10
工况1：iA>0时换相 开关状态：由[O]到[P]变换
•开关状态为[O]时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA>0，DZ1导通，S2、S3上 电压VS2=VS3=0,S1、S4上的 电压为E；
•在 时间段内，S3开始关断，
iA流过路径保持不变，S3完全 关断后，由分压电阻R3、R4 作用，S3、S4上的电压为
VS3=VS4=E/2；
•开关状态为[P]，S1导通，DZ1 承受反压关断，负载电流从DZ1
换相到S1，VS3=VS4=E。
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工况2：iA<0时换相 开关状态：由[O]到[P]变换
•开关状态为[O]时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA<0，DZ2导通，S1、S4上的 电压为E；
•在 时间段开始关断S3，由于
12
注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间 进行切换
13
5.3 空间矢量调制
1. 静止空间矢量
三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有Vv1827种可能的开关状态组合。
14
零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]， [OOO]和[NNN]三种开关状态；
• 小矢量(V1 ~ V6)，幅值为 Vd 3每个 小矢量包括两种开关状态，一种为 开关状态[P]，另外一种为[N]，因 此可以进一步分为P型和N型小矢量；
• 中矢量（V7~ V12）幅值为： • 大矢量（V13~ V18）。幅值为：3Vd 3
2Vd 3
15
2. 作用时间计算
•将空间矢量图分为六个三 角形扇区（Ⅰ~Ⅵ）
•每个扇区双分为四个三角 形区域（1~4）
16
三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：
当Vref落入扇区Ⅰ的2区时，最近的三个
三电平逆变器特点:
•输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD 。 •无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。
3
1. 拓扑结构
S1
D1
+ Dz1 S2
E
Cd1
D2
-
Vd Z
iZ
A
+ Dz2
E
S3
D3
Cd2
-
S4
D4
5.2 三电平逆变器
D1~D4:反并联二极管 S1~S4:功率器件GCT/IGBT DZ1，DZ2:钳位二极管
iA
B
iB
O
C
iC 负载
逆变器直流侧的两个电容给出了
中点Z，S2和S3导通时。A点通 过一个箝位二极管连接到中点,每 个直流电容上的电压E，通常为 总直流电压Vd的一半。
4
2.开关状态 对A桥臂：
• 开关状态[P]：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=+E。
• 开关状态[N]：桥臂下端两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=-E 。
8
3.换相过程
以开关状态从[O]变到[P] (S3关断、S1开通）的情况为例： S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间 。
9
换相过程假设：
•由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变； •直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电 压为E； •所有的有源开关都为理想开关。
• 开关状态[O]：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在 零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。 例如，正向负载电流（IA>0）强迫DZ1导通，则A端 通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。
5
开关状态的定义:
开关状态
器件开关状态（A相）
逆变器端
S1
S2
S3
S4
电压VAZ
[P]
通
通
断
断
E
[O]
断
通Байду номын сангаас
通
断
0
[N]
断
断
通
通
-E
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开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZ
Vg1~Vg4: 开关S1~S4的相应 门极驱动信号。 Vg1, Vg3:互补。 Vg2, Vg4:互补。 VAZ有三个电平：+E、0、-E 三电平逆变器由此命名。
7
三电平逆变器端电压和线电压波形
线电压VAB=VAZ-VBZ 包括五个电平: +2E、+E、0、-E、-2E
Tc
3Vref Vd
(cos
j sin )Ts
虚部
:
3 2
Tb
3 2
Tc
3 Vref Vd
(sin )Ts
又因为： Ts Ta Tb Tc
所以有：
Ta Ts[1 2ma sin ]
Tb
Ts
2ma
sin
3
1
Tc
Ts
1
2ma
sin
3
式中 的取值范围 为：0 3 ma 为调制因数
感性负载电流iA不能立刻改变 方向，iA从S3换相到二极管上， 使D1、D2导通，VS1=VS2=0, S3关断期间，由于DZ2的存在， VS4不会低于E；由于S3关断时 的等效电阻小于S4的断态电阻， VS4不会低于E。所以VS3从零 上升到E，VS4保持为E
•开关状态为[P]，S1导通不会影 响电路运行，因为D1、D2已经 导通。所以负载电流不会流过 S1、S2。
ma
3 Vref Vd
0 ma 1
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20
3. Vref位置与保持时间之间的关系
•Vref指向区域4的中点Q。
•Q和最近三个矢量V2、V7 和V14之间的距离一样，因 此作用时间相同。
•当Vref沿着虚线从Q点向 V2移动时，V2对Vref的影 响增强，使得V2的保持时 间变长。
得
1 3
Vd
Ta
3 3
Vd
e
j
6
Tb
1 3
Vd
e
j
3
Tc
Vref e jTs
得
1 3 Vd Ta
3 3 Vd
cos
6
j sin
6
Tb
1 3Vd
cos
3
j sin
3
Tc
Vref
cos
j sin
Ts
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作用时间推导：
将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到
实部:Ta
3 2
Tb
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静态矢量为V1、V2和V7则有：
vvv v
V1Ta
V7Tb V2Tc Vref Ta Tb Tc Ts
Ts
式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7 和V2的作用时间。
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作用时间推导：
由
v V1
1 3 Vd
v V2
1 3
Vd
e
j
3
v V7
3 3
Vd
e
j
6
v Vref
Vref e j