三电平IGBT高压变频器的逆变电路工作原理

    为了避免开关器件串联引起的动态均压问题和降低输出谐波，电路采用了三电平方式，又称为中心点钳位方式( NPC)。图2-24是其中一相的等效电路图，我们将电路中的IGBT用开关S代替。图中S1~S4是代表一相桥臂中的4个开关器件(IGBT)，VD1~VD4为反并联的4个续流二极管，VD5和VD6为钳位二极管，所有二极管要有和开关器件相同的耐压等级。Ed是电容上电压值，C为中心点。

    图2-24    中心点钳位等效电路

    通过控制S1~S4功率开关的开通和关断，可在桥臂上输出3种不同电平，即：+Ud，0，-Ud，见表2-1。因此，把这种变频器称为三电平变频器。

    表2-1    三电平变频器输出电压组合表

    由表2-1可见，功率开关S1与S3的状态是相反的；S2与S4的状态也是相反的。同时规定：输出电压只能是+Ed～0，0～-Ed，或相反变化，不允许在+Ed和-Ed之间直接变化。也就不存在动态均压问题。

    对于由三个桥臂组成的三相逆变器，根据三相桥臂U、V、W的不同开关组合，最终可得到三电平变频器的33 =27种开关模式，见表2-2。

    表2-2    三电平变频器输出状态表

    采用中心点钳位方式使输出增加了一个电平，输出电压的台阶高度降低了一半，并且增加了PWM控制的自由度。使输出波形质量在同等开关频率的条件下有较大的提高。

    图2-25所示为三电平变频器输出电压、电流波形图。图中阶梯形PWM波为电压波形，近似正弦波的曲线为电流波形。变频器输出的阶梯PWM波经滤波器滤波后加到电动机，电压谐波失真可从29%降低到4%，电流谐波失真可从17%降低到2%。

    图2-25    三电平变频器输出电压、电流波形图

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