三電平

　　三電平逆變器：拓撲為在兩個電力電子開關器件串聯的基礎上，中性點加一對箝位二極管的三電平逆變器，又稱為中性點箝位型（Neutral Point Clamped，簡稱NPC）三電平逆變器，所示即為三相三電平NPC逆變器拓撲結構，由兩個直流分壓電容C1=C2、三相逆變電路組成。負載為三相感應電機。

　　三電平變換器（Tree．Level Inverter）的橋臂上有4個電力半導體器件，它通過對直流側的分壓和開關動作的不同組合，實現多電平階梯波輸出電壓，可以使波形更加接近正弦波。

　　兩電平apf和三電平apf的區別

　　電力電子技術的應用包括四大類基本變流電路，即AC-DC（整流）、DC-DC（升降壓斬波）、AC-AC（變頻變相）、DC-AC（逆變）變流電路。由此產生的整流器，逆變器，變流器（雙向整流逆變）等裝置在工業生活中的應用日益廣泛，無論是在UPS，新能源發電（光伏、風電），電能質量治理（無功、諧波），還是電動汽車等領域，對系統效率的期望比以往更高。在市電等級應用領域中，通常采用的是兩電平變流器拓撲結構，而多電平變流器拓撲的提出，就是為了實現中高壓應用的目標。本文將對常見的兩電平、三電平變流器拓撲原理進行分析介紹。

　　1.一種典型的兩電平-三相電壓型橋式PWM變流器電路拓撲如下圖所示：

　　電路直流側通常只有一個電容器就可以，為了方便分析，畫作串聯的兩個電容器并標出理想中點N。其基本工作方式為180度導電，即每個橋臂導電角度為180度，同一相（即同一橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120度。在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通，每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也稱為縱向換流。

　　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。

　　在實際應用中，對于開關管（IGBT）的驅動控制通常采用PWM（PulseWidthModulation）控制技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含幅值和形狀）。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化從而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波形。

　　2.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。

　　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，系統效率得以提升。

　　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。但是會增加使用的器件數量。

　　4）三電平可以降低開關頻率，較少開關損耗。