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1、第 11 章 多电平电路,1,主要内容,11.0 概述11.1 中点钳位式逆变电路 11.1.1 中点钳位式方波逆变电路 11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路11.2 中点钳位式直流变换电路 11.2.1 间接式NPC-DC/DC电路 11.2.2 直接式NPC-DC/DC电路11.3 中点钳位式PWM整流电路 11.3.1 SVPWM的控制算法 11.3.2 NPC-PWM-REC的控制本章小结,11.0 概述（）,多电平电路泛指其输出量具有多个电平的电路；多电平整流电路则指其输入电流量具有多个电平,多电平电路的分类,多电平电路的特点：扩容和谐波抑制 1) 多电平电路输出具有多个电平，可使
2、输出波形接近正弦，波形畸变率(THD)大大缩小,并不是依靠高开关频率来实现谐波抑制； 2) 对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压 的1/（n1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态和静态均压电路； 3) 输出电压电平数目增加，电压变率相应降低，EMI强度相应下降。多电平电路在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用,11.0 概述（）,11.1 中点钳位式逆变电路,中点钳位式（Neutral Point Clamped）逆变电路,每桥臂都由两个全控型器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。
3、两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连,11.1.1 三电平方波逆变电路,11.1.1 三电平方波逆变电路（2）,控制极信号时序分布（以A相为例）1）ug1m与ug4A、ug4m与ug1A在相位上互补； ug1m与ug4m、ug1A与ug4A相位上互差180。2)控制信号一个周期包含ad四个时区。a和c时区主辅器件控制极信号相位相反，在b和d时区中，控制极信号相位相同。3)在开关点上，上下桥臂各相串联的两个可控器件无同时导通或关断的状态，所以没有电压动态分配不均现象；而在非开关期中，处于阻断的器件则均为电源所钳位，故无电压静态分配不均现象。,11.1.1 三电平方波逆变电路（3
4、）,11.1.1 三电平方波逆变电路（4）,故,11.1.1 三电平方波逆变电路（5）,两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平；三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平三电平逆变电路输出电压为6阶梯波，谐波可大大少于两电平逆变电路三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半,11.1.1 中点钳位式方波逆变电路,五电平方波逆变电路（1）,为进一步提高电路的输出电压等级，降低谐波含量和EMI，仿照三电平逆变电路拓扑，发展了多电平逆变电路,11.1.1 中点钳位式方波逆变电路,五电平方波逆变电路（2）,11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（1）,主电路
5、与中点钳位式方波电路相同；区别在于控制方式，控制极信号用脉冲代替方波,11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（2）,消谐波PWM方法的原理： 对于一个N电平的变换器，每相采用N-1个具有相同频率fc和相同峰值Ac的三角载波与一个频率为fm ，幅值为Am的正弦波相比较，为了使N-1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。,对于一个N电平的变换器，调制度ma和载波比mf定义如下：,11.1.2 中点钳位式
6、PWM逆变电路（3）,电压空间矢量PWM控制方式,1）在三电平电路中，由于每相对直流中点有三个开关状态，因此整个三相桥一共有3327种开关状态；2）每个电压空间矢量代表逆变桥的一种开关状态，也就是各桥臂器件的导通状态，从而决定了该时刻中三相逆变输出的瞬时值。,11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（4）,电压空间矢量PWM控制方式,24个非零矢量在坐标平面-中可划分为六个扇形区，每个扇形又包含两个子伏，每个子区各拥有3个非零矢量，其幅值分别为,11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（5）,电压空间矢量PWM控制方式,以第I扇区的矢量分布为例，扇区细分为AD四个子区，每个子区各包含3个基本矢量。
7、当 落入某一子区后，用该子区三角形顶点所标矢量去逼近 可得到最佳效果,11.1.2 中点钳位式PWM逆变电路（6）,电压空间矢量PWM控制方式,在NPC-SVPWM技术中，电压矢量的更迭必须遵循以下规则:1)由电压矢量更迭所引起的开关状态的更迭必须保持 的顺序，尽可能不使用 ，目的是为了减小输出电压的变率，保持NPC电路的优点。2)实现开关状态更迭的开关次数为最小，目的是减小电路的开关损耗。,多电平SVPWM法和两电平SVPWM法一样，是一种建立在空间矢量合成概念上的PWM法，它的最大优点在于概念清晰，反映了SPWM的本质，电压利用率高，易于数字实现等，不足之处在于当电平数超过5时，算法过于复
8、杂。,11.2.1 间接式NPC-DC/DC电路（1）,图中点划线框A为单相HF NPC-INC，变压器输出；点划线框B为高频桥式不控整流电路。,采用间接式结构的目的：实现电隔离；为了提高整机功率密度，故采用中间高频逆变环节。 但高频逆变电路中高压MOSFET因导通内阻剧增使电流容量降低，而传统两电平逆变电路中器件的正向阻断电压为Ud，由此可见，采用NPC-INC能够解决上述问题。,11.2.1 间接式NPC-DC/DC电路（2）,在HF NPC-INV中采用移相调压方案,11.2.1 直接式NPC-DC/DC电路（2）,中点钳位式单象限降压型电路(NPC一BUCK电路),由于电路采用NPC结
9、构和分时控制方式，器件阻断电压下降为Ud/2，输出电流因脉动频率加倍，IL相应下降。,11.2.1 直接式NPC-DC/DC电路（2）,当D=0.25时,根据ug1和ug2的时序分布，电路以工作模式M2、M3和M4交替工作；当D=0.75时, 电路以工作模式M1、M2和M3交替工作；,11.3 中点钳位式PWM整流电路,三相 NPC PWM 整流电路的主电路与NPC-PWM-INV完全相仿，只是电源与负载对调，即电源是三相交流电网，负载是有源或无源直流负载(图示为R0- L0串联无源直流负载)。直流输出端分压电容Cd1=Cd2，其端压U01=U02=U0/2，O为直流输出中点。VDS1VDS6为钳位二极管，其接法与NPC-INV相仿。,11.3.1 SVPWM的控制算法（1）,和NPC-INC相同，NPC PWM 整流电路三相桥共有27个开关状态，对应的空间矢量为,11.3.1 SVPWM的控制算法（2）,将24个非零矢量分布划分为I-六个扇形区，与两电平电路相仿，为减少电流谐波含量，用多个非零矢量去逼近指令电压.为此将每个扇区再细分A-D四个子扇区。,11.3.2 NPC-PWM-REC的控制,与NPC-SVPWM-INV相仿，NPC-SVPWM-REC的控制算法包含:各电压矢量作用时间的计算；指令值矢量的计算；采样信号坐标系统的换算。,
