[科普中国]-中点钳位型三电平逆变器

中点钳位三电平逆变器的拓扑结构

图1为中点钳位三电平逆变器的拓扑结构。

该拓扑结构包括两个串联的电容C1，C2，两电容之间的点称为中点Z，因此中点钳位型逆变器也被称作二极管钳位逆变器；每一相包含四组IGBT/Diode（绝缘栅门极晶闸管/二极管）Tx1、Tx2、Tx3和Tx4；两个钳位二极管Dx5和Dx6（x=a，b，和c）。

根据拓扑结构可以看出来，中点钳位三电平逆变器的一个很重要的问题就是：中点电压平衡问题。理想的情况下，直流电容C1，C2的电压均为E（E为直流电压源Vdc的1/2），但是流过中点Z的电流对电容充电或者放电，加之电容保持电压的能力有限，会导致电容C1，C2的电压发生变化。工况恶劣时，会导致上下两电容电压差过大，输出电压电流波形畸变，甚至损坏功率半导体器件1。

中点钳位三电平逆变器的工作原理为了获得三电平，每一相的四组开关（IGBT/Diode）只能有相邻的两组开关同时导通，即Tx1-Tx2，Tx2-Tx3，或者Tx3-Tx4。用字母P，O和N表示三组开关的状态。开关状态如表1所示。为了尽可能地减小开关损耗，一次开关状态的改变只允许一个开关进行动作，即P↔O和O↔N。开关Tx1和开关Tx3状态为互补关系，开关Tx2和开关Tx4状态为互补关系，要避免出现多个开关同时导通现象，否则会发生短路，烧毁元器件。

|| || 表1开关状态表

三电平NPC逆变器的工作状态是指开关状态和负载电流，由于拓扑结构的对称性，本文只分析P→O开关状态。根据负载电流的方向不同，又可以分为iph>0和iph0时，状态P→O的换流示意图如图2（a）和（b）。

P状态时，开关Tx1和Tx2导通，Tx3和Tx4关断。电流iph流过Tx1和Tx2的两个IGBT。输出端相对于中点Vaz的电压为vdc/2。

O状态时，开关Tx2和Tx3导通，Tx1和Tx4关断。由于开关Tx1突然关断，电流iph从Tx1的IGBT强制换流到钳位二极管Dx5，仍然通过Tx2的IGBT流到输出端。此时Vaz电压为0。

当iph