PWM变流器简介
电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。
1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示：
图1三相电压型桥式PWM变流器
电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。
下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。
负载线电压可分别由公式求出：
Uuv=Uun-Uvn；
Uvw=Uvn-Uwn；
Uwu=Uwn-Uun
可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.
对该电路的工作原理再作如下说明：在整流运行状态下，Ua>0时，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls组成升压斩波电路。V4导通时，Ua通过V4，VD6(或VD2)向Ls储能，当V4关断时，Ls储存的能量通过VD1向直流侧电容充电。电路为升压斩波，若控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，容易损坏器件。
图2典型升压斩波电路（Boost Chopper）
在实际应用中，对于开关管（IGBT）的驱动控制通常采用PWM（Pulse Width Modulation）控制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含幅值和形状）。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化从而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。
图3用PWM波代替正弦半波
a）正弦半波b）脉冲序列
2.在了解两电平变流器的工作原理基础上，我们可以看出，如果需要变流器承受更高的电压，就需要选用耐压等级更高的IGBT，或者采用IGBT串联的方式。但IGBT的电压等级不可能太高（通用电压等级为600V/1200V/1700V/3300）,IGBT 是高速器件，串联比较困难，另外采用两电平电路时di/dt较高，波形不太理想。因此我们考虑采用多电平逆变电路。
多电平变流器的采用，不仅可以提高电压等级，而且获得了更多阶的输出电压，这将使得输出波形更接近于正弦波，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大。下面对常见的一种三电平拓扑电路进行分析：
图4中点箝位型三电平逆变电路
逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个箱位二极管;整个三相逆变器直流侧由两个电容串联起来来支撑并均衡直流侧电压。通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波。
以U相为例：
当V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断时，U点和O点电位差为Ud/2;
当V41和V42（或VD41和VD42）导通,V11和V12关断时，U和O点的点位差为-Ud/2；
当V12或V41导通，V11和V42关断时，U和O点电位差为0。
可以看出三电平电路的输出相电压由三种电平：±Ud/2，0；同样的的得出输出线电压有五种电平：±Ud，±Ud/2，0。
三电平拓扑的一个突出优点就是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此适合于高压大容量应用场合。与此类似，还可以构成五电平等更多电平的电路。
3.两电平与三电平对比。
1）损耗计算：每个开关周期中，两电平输出为正、负电平，三电平输出为正、负、零电平。因此两电平拓扑损耗较高。
2）输出谐波：输出电平台阶越多，波形越趋近与正弦波，带出的谐波越少，系统效率得以提升。
3）器件耐压：三电平中主开关承受电压为直流侧电压一半，两电平则为全部母线电压。但是会增加使用的器件数量。
4）三电平可以降低开关频率，较少开关损耗。
骆乾2015.07.20
