兩電平逆變器的工作原理

兩電平電壓型逆變器的主電路所示，電壓型逆變器典型工作方式是180°導通方式，任何時刻都有不相同的三只主管導通，每次換相都是在同一相上下兩個橋臂之間進行的，因此又稱縱向換相。相同中上下兩橋臂中的兩只主管稱為互補管（即控制脈沖是互反的），它們交替導通。

在換流瞬間，為了防止同一相上下兩臂的主管同時導通而引起直流電源的短路，通常采用“先斷后通”的方法，即先給應關斷的主管關斷信號，待其關斷后留一定時間裕量，然后再給應導通的主管開通信號，兩者之間留一個短暫的死區時間。

下面來分析該電路的工作波形，對于U相輸出來說，當V1導通時，Uun=Ud/2；V4導通時，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V，W兩相情況類似，只是相位依次相差120度。通常我們所說的幾電平指的是逆變器輸出的相電壓，對兩電平而言，逆變器輸出的相電壓只有上述分析的兩種電平：±Ud/2。

負載線電壓可分別由公式求出：Uuv=Uun-Uvn；Uvw=Uvn-Uwn；Uwu=Uwn-Uun。

可以看出負載線電壓有三個值：±Ud，0。

對該電路的工作原理再作如下說明：在整流運行狀態下，Ua》0時，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls組成升壓斬波電路。V4導通時，Ua通過V4，VD6（或VD2）向Ls儲能，當V4關斷時，Ls儲存的能量通過VD1向直流側電容充電。電路為升壓斬波，若控制不當，直流側電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，容易損壞器件。

在了解兩電平變流器的工作原理基礎上，我們可以看出，如果需要變流器承受更高的電壓，就需要選用耐壓等級更高的IGBT，或者采用IGBT串聯的方式。

但IGBT的電壓等級不可能太高（通用電壓等級為600V/1200V/1700V/3300），IGBT是高速器件，串聯比較困難，另外采用兩電平電路時di/dt較高，波形不太理想。因此我們考慮采用多電平逆變電路。

三電平逆變器的工作原理

多電平變流器的采用，不僅可以提高電壓等級，而且獲得了更多階的輸出電壓，這將使得輸出波形更接近于正弦波，且諧波含量少，電壓變化率小，輸出容量大。下面對常見的一種三電平拓撲電路進行分析。

逆變器每一相需要4個IGBT開關管、4個續流二極管、2個箱位二極管;整個三相逆變器直流側由兩個電容串聯起來來支撐并均衡直流側電壓。通過一定的開關邏輯控制，交流側產生三種電平的相電壓，在輸出端合成正弦波。

以U相為例：

當V11和V12（或VD11和VD12）導通，V41和V42關斷時，U點和O點電位差為Ud/2;

當V41和V42（或VD41和VD42）導通，V11和V12關斷時，U和O點的點位差為-Ud/2；

當V12或V41導通，V11和V42關斷時，U和O點電位差為0。

可以看出三電平電路的輸出相電壓由三種電平：±Ud/2，0；同樣的的得出輸出線電壓有五種電平：±Ud，±Ud/2，0。

三電平拓撲的一個突出優點就是每個主開關器件關斷時所承受的電壓僅為直流側電壓的一半，因此適合于高壓大容量應用場合。與此類似，還可以構成五電平等更多電平的電路。

兩電平與三電平對比

1）損耗計算：每個開關周期中，兩電平輸出為正、負電平，三電平輸出為正、負、零電平。因此兩電平拓撲損耗較高。

2）輸出諧波：輸出電平臺階越多，波形越趨近與正弦波，帶出的諧波越少。

3）器件耐壓：三電平中主開關承受電壓為直流側電壓一半，兩電平則為全部母線電壓。三電平會增加使用的器件數量，但電壓等級越高價格越高。

4）三電平可以降低開關頻率，較少開關損耗。