[发明专利]一种准四电平变换器拓扑结构及其SVPWM算法

说明书

本发明公开了一种准四电平NPC变换器拓扑结构及空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法，属于电力电子技术领域。准四电平NPC变换器拓扑结构由直流侧的两个不对称直流电压源（电压比例为2：1）和传统的三相三电平NPC拓扑结构构成，其输出线电压电平数由传统三电平结构的5个电平增加到7个电平，改善了输出电压质量，同时精简了传统四电平NPC拓扑结构，减少开关器件数量及降低开关频率。本发明提出了与该拓扑结构相对应的扇区旋转及八分区SVPWM算法，降低了由于矢量缺失而导致的计算复杂度。

技术领域

本发明涉及一种准四电平变换器拓扑结构及其空间矢量脉宽调制算法，属于电力电子技术领域。

背景技术

二极管箝位型逆变器结构是最早提出的一种多电平逆变器结构。基本工作原理为：每相桥臂由若干个开关管串联，若干个二极管进行箝位，通过分别控制每个开关管的通断状态，得到所需电平级数，使输出波形更接近正弦波。三电平二极管中点箝位式三桥臂逆变器拓扑结构如图1所示，直流侧电压源为U_dc，分压电容为C1、C2，C1= C2。每相桥臂有两个箝位二极管和四个功率开关管。以A桥臂为例，该桥臂由开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4和箝位二极管D1、D2组成，每相桥臂输出的相电压为0、U_dc/2和U_dc。

多电平逆变器相对于两电平逆变器而言，具有以下优点：输出电压和电流的等级有所提高，输出波形更接近正弦波，谐波含量更低；各个功率器件的电压应力减少，器件的功率损耗降低；改善了电磁干扰的特性和工作性能，工作效率得到提升。目前，对于多电平逆变器拓扑结构实现更高电平输出的研究主要集中在两个方面：其一是如何在输出电平数相同时尽可能地减少开关器件数量；其二使用相同的开关器件数量的情况下实现更高电平数输出。

空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制技术，在电力电子领域中已被广泛应用。它的核心就是将逆变器的不同开关状态作为基本作用矢量，根据所选取的基本作用矢量及其特定的作用时间来合成参考矢量。相比普通的PWM调制算法，它具有直流端电压利用率高、易于数字化实现、输出波形质量好接近正弦、合理安排空间矢量可以降低开关频率、减小开关损耗等突出的优点。

发明内容

为实现更高输出电平数，提高输出电压波形，同时能够尽可能的减少开关器件数量，精简结构，节约成本，本发明提出了一种准四电平NPC变换器拓扑结构及其SVPWM算法。

本发明的实现过程为：

本发明提出一种准四电平NPC变换器拓扑结构，如图2所示，其包括直流侧两个串联的不对称直流电压源（电压比例为2:1）和传统的三电平NPC拓扑结构的三相桥臂结构。直流侧使用不对称电压源（电压比例为2:1）进行串联，在两个电压源中点处取得箝位电压。由于不对称电压源的接入，虽然相电压仍然保持3电平输出，但是输出线电压电平数可以从传统三电平结构的5个电平增加到7个电平。

如图3-5所示为准四电平NPC变换器拓扑结构的工作原理图。以A桥臂为例，选两个电压源连接点为参考点，具体分析如下：

①当S_a1和S_a2导通，S_a3和S_a4关断时，输出电压为2E；输出高电平（P），如图3所示；

②当S_a2和S_a3导通，S_a1和S_a4关断时，输出电压为0；输出中电平（O），如图4所示；

③当S_a3和S_a4导通，S_a1和S_a2关断时，输出电压为-E；输出低电平（N），如图5所示；