NPC型三電平APF主電路模型分析案例NPC型三電平逆變器自上世紀(jì)八十年代提出以來，以其較低的開關(guān)管承壓、較低的開關(guān)損耗和較好的輸出波形而廣受關(guān)注，并成功應(yīng)用于有源電力濾波器，作為APF的主電路。APF主電路拓?fù)淠Ｐ腿鐖D2-2所示。圖2-2NPC型三電平APF電路圖NPC型三電平逆變器直流側(cè)串接兩個完全相同的電容，分別記作C1和C2，在理想情況下，上下兩電容可以分得等壓Udc/2，因此直流側(cè)可以輸出三個電平。根據(jù)圖1.2所示，NPC三電平逆變器有三個橋臂，每個橋臂由4個全控型功率半導(dǎo)體器件和一對箝位二極管構(gòu)成，二極管連接直流母線中點(diǎn)與上下兩橋臂中點(diǎn)。例如對于A相，SA1、SA2、SA3、SA4構(gòu)成了四個功率開關(guān)管，D1和D2為兩個箝位二極管。另外，每個功率器件兩端都反并聯(lián)了續(xù)流二極管，起保護(hù)作用。1.1NPC型三電平逆變器工作狀態(tài)NPC三電平逆變器每相根據(jù)功率開關(guān)管的不同狀態(tài)可以輸出+Udc/2、0、-Udc/2三種電平，因此得名三電平逆變器。下面以A相為例進(jìn)行說明：SA1和SA2導(dǎo)通，SA3和SA4關(guān)斷，輸出電壓為Udc/2，記為P電平。SA2和SA3導(dǎo)通，SA1和SA4關(guān)斷，輸出電壓為零，記為O電平。SA3和SA4導(dǎo)通，SA1和SA2關(guān)斷，輸出電壓為-Udc/2，記為N電平。逆變器每相輸出端電壓與功率開關(guān)管狀態(tài)之間的關(guān)系可用表2-1表示，其中1表示導(dǎo)通，0表示關(guān)斷。表2-1輸出端電壓與開關(guān)狀態(tài)關(guān)系對應(yīng)表(x=a,b,c)Sx1Sx2Sx3Sx4輸出端電壓輸出狀態(tài)1100Udc/2P01100O0011-Udc/2N下面根據(jù)表2-1并以A相為例分析NPC型三電平逆變器運(yùn)行時的三種工作狀態(tài)。規(guī)定直流母線中點(diǎn)O點(diǎn)作為電壓參考點(diǎn)，電流正方向?yàn)橹绷麟娫磦?cè)流向交流負(fù)載側(cè)，并認(rèn)為電容和各開關(guān)器件為理想狀態(tài)。(a)iA>0(b)iA<0圖2-3P狀態(tài)電流方向(1)P狀態(tài)P狀態(tài)下，逆變器輸出端電壓Udc/2，開關(guān)狀態(tài)為：SA1和SA2導(dǎo)通，SA3和SA4關(guān)斷。當(dāng)iA>0時，電流從電容C1正極流出，經(jīng)功率器件SA1和SA2流入負(fù)載側(cè)，此過程可用圖2-3(a)表示；當(dāng)iA<0時，電流從負(fù)載側(cè)經(jīng)功率器件SA1和SA2反并聯(lián)的二極管流入電容C1正極，此過程可用圖2-3(b)表示。(a)iA>0(b)iA<0圖2-4O狀態(tài)電流方向(a)iA>0(b)iA<0圖2-5N狀態(tài)電流方向(2)O狀態(tài)O狀態(tài)下，逆變器輸出端電壓0，開關(guān)狀態(tài)為：SA2和SA3導(dǎo)通，SA1和SA4關(guān)斷。當(dāng)iA>0時，電流從直流側(cè)中點(diǎn)流出，經(jīng)箝位二極管D1和功率器件SA2流入負(fù)載側(cè)，此過程可用圖2-4(a)表示；當(dāng)iA<0時，電流從負(fù)載側(cè)經(jīng)功率器件SA3和箝位二極管D2流入直流側(cè)中點(diǎn)，此過程可用圖2-4(b)表示。(3)N狀態(tài)N狀態(tài)下，逆變器輸出端電壓-Udc/2，開關(guān)狀態(tài)為：SA3和SA4導(dǎo)通，SA1和SA2關(guān)斷。當(dāng)iA>0時，電流從電容C2負(fù)極流出，經(jīng)功率器件SA3和SA4反并聯(lián)的二極管流入負(fù)載側(cè)，此過程可用圖2-5(a)表示；當(dāng)iA<0時，電流從負(fù)載側(cè)經(jīng)功率器件SA3和SA4流入電容C2負(fù)極，此過程可用圖2-5(b)表示。1.2NPC型三電平逆變器動態(tài)換流過程N(yùn)PC三電平逆變器的換流過程即為逆變器每相三個電平的動態(tài)切換，這種模式切換只能在相鄰兩電平之間，例如P、O之間切換，O、N之間切換，不允許P電平直接切換至N電平和N電平直接切換至P電平，這是由于相鄰兩電平切換只需要動作兩個開關(guān)管，而P、N之間的切換需要動作四個功率開關(guān)管，這樣不僅會增加開關(guān)損耗，還可能導(dǎo)致開關(guān)不同步造成器件損壞，必須避免。另外，電平切換必須遵循先關(guān)斷后導(dǎo)通的原則。現(xiàn)假設(shè)換流過程中電流保持恒定，以A相為例詳細(xì)說明NPC三電平逆變器動態(tài)換流過程。(1)P、O電平切換(a)P電平(b)死區(qū)(c)O電平圖2-6iA>0時逆變器由P電平向O電平切換過程當(dāng)iA>0時：P電平向O電平切換需先關(guān)斷SA1后閉合SA3，電流因連續(xù)性路徑從電容C1正極→功率器件SA1、SA2→交流負(fù)載側(cè)變?yōu)殡妷簠⒖键c(diǎn)O點(diǎn)→箝位二極管D1→功率開關(guān)管SA2→交流負(fù)載側(cè)，完成P電平至O電平的切換，如圖2-6所示；O電平向P電平切換需先關(guān)斷SA3后閉合SA1，電流因連續(xù)性路徑從電壓參考點(diǎn)O點(diǎn)→箝位二極管D1→功率開關(guān)管SA2→交流負(fù)載側(cè)變?yōu)殡娙軨1正極→功率器件SA1、SA2→交流負(fù)載側(cè)，完成O電平至P電平的切換，如圖2-7所示。(a)O電平(b)死區(qū)(c)P電平圖2-7iA>0時逆變器由O電平向P電平切換過程(a)P電平(b)死區(qū)(c)O電平圖2-8iA<0時逆變器由P電平向O電平切換過程當(dāng)iA<0時：P電平向O電平切換需先關(guān)斷SA1后閉合SA3，電流因連續(xù)性路徑從交流負(fù)載側(cè)→功率器件SA1、SA2反并聯(lián)二極管→電容C1正極變?yōu)榻涣髫?fù)載側(cè)→功率開關(guān)管SA3→箝位二極管D2→電壓參考點(diǎn)O點(diǎn)，完成P電平至O電平的切換，如圖2-8所示；O電平向P電平切換需先關(guān)斷SA3后閉合SA1，電流因連續(xù)性路徑從交流負(fù)載側(cè)→功率開關(guān)管SA3→箝位二極管D2→電壓參考點(diǎn)O點(diǎn)變?yōu)榻涣髫?fù)載側(cè)→功率器件SA1、SA2反并聯(lián)二極管→電容C1正極，完成O電平至P電平的切換，如圖2-9所示。(a)O電平(b)死區(qū)(c)P電平圖2-9iA<0時逆變器由O電平向P電平切換過程(a)O電平(b)死區(qū)(c)N電平圖2-10iA>0時逆變器由O電平向N電平切換過程(2)O、N電平切換當(dāng)iA>0時：O電平向N電平切換需先關(guān)斷SA2后閉合SA4，電流因連續(xù)性路徑從電壓參考點(diǎn)O點(diǎn)→箝位二極管D1→功率開關(guān)管SA2→交流負(fù)載側(cè)變?yōu)殡娙軨2負(fù)極→功率器件SA3、SA4反并聯(lián)二極管→交流負(fù)載側(cè)，完成O電平至N電平的切換，如圖2-10所示；N電平向O電平切換需先關(guān)斷SA4后閉合SA2，電流因連續(xù)性路徑從電容C2負(fù)極→功率器件SA3、SA4反并聯(lián)二極管→交流負(fù)載側(cè)變?yōu)殡妷簠⒖键c(diǎn)O點(diǎn)→箝位二極管D1→功率開關(guān)管SA2→交流負(fù)載側(cè)，完成N電平至O電平的切換，如圖2-11所示。(a)N電平(b)死區(qū)(c)O電平圖2-11iA>0時逆變器由N電平向O電平切換過程(a)O電平(b)死區(qū)(c)N電平圖2-12iA<0時逆變器由O電平向N電平切換過程當(dāng)iA<0時：O電平向N電平切換需先關(guān)斷SA2后閉合SA4，電流因連續(xù)性路徑從交流負(fù)載側(cè)→功率器件SA3→箝位二極管D2→電壓參考點(diǎn)O點(diǎn)變?yōu)榻涣髫?fù)載側(cè)→功率器件SA3、SA4→電容C2負(fù)極，完成O電平至N電平的切換，如圖2-12所示；N電平向O電平切換需先關(guān)斷SA4后閉合SA2，電流因連續(xù)性路徑從