【《NPC型三电平APF主电路模型分析案例》2300字（论文）】

NPC型三电平APF主电路模型分析案例NPC型三电平逆变器自上世纪八十年代提出以来，以其较低的开关管承压、较低的开关损耗和较好的输出波形而广受关注，并成功应用于有源电力滤波器，作为APF的主电路。APF主电路拓扑模型如图2-2所示。图2-2NPC型三电平APF电路图NPC型三电平逆变器直流侧串接两个完全相同的电容，分别记作C1和C2，在理想情况下，上下两电容可以分得等压Udc/2，因此直流侧可以输出三个电平。根据图1.2所示，NPC三电平逆变器有三个桥臂，每个桥臂由4个全控型功率半导体器件和一对箝位二极管构成，二极管连接直流母线中点与上下两桥臂中点。例如对于A相，SA1、SA2、SA3、SA4构成了四个功率开关管，D1和D2为两个箝位二极管。另外，每个功率器件两端都反并联了续流二极管，起保护作用。1.1NPC型三电平逆变器工作状态NPC三电平逆变器每相根据功率开关管的不同状态可以输出+Udc/2、0、-Udc/2三种电平，因此得名三电平逆变器。下面以A相为例进行说明：SA1和SA2导通，SA3和SA4关断，输出电压为Udc/2，记为P电平。SA2和SA3导通，SA1和SA4关断，输出电压为零，记为O电平。SA3和SA4导通，SA1和SA2关断，输出电压为-Udc/2，记为N电平。逆变器每相输出端电压与功率开关管状态之间的关系可用表2-1表示，其中1表示导通，0表示关断。表2-1输出端电压与开关状态关系对应表(x=a,b,c)Sx1Sx2Sx3Sx4输出端电压输出状态1100Udc/2P01100O0011-Udc/2N下面根据表2-1并以A相为例分析NPC型三电平逆变器运行时的三种工作状态。规定直流母线中点O点作为电压参考点，电流正方向为直流电源侧流向交流负载侧，并认为电容和各开关器件为理想状态。(a)iA>0(b)iA<0图2-3P状态电流方向(1)P状态P状态下，逆变器输出端电压Udc/2，开关状态为：SA1和SA2导通，SA3和SA4关断。当iA>0时，电流从电容C1正极流出，经功率器件SA1和SA2流入负载侧，此过程可用图2-3(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA1和SA2反并联的二极管流入电容C1正极，此过程可用图2-3(b)表示。(a)iA>0(b)iA<0图2-4O状态电流方向(a)iA>0(b)iA<0图2-5N状态电流方向(2)O状态O状态下，逆变器输出端电压0，开关状态为：SA2和SA3导通，SA1和SA4关断。当iA>0时，电流从直流侧中点流出，经箝位二极管D1和功率器件SA2流入负载侧，此过程可用图2-4(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA3和箝位二极管D2流入直流侧中点，此过程可用图2-4(b)表示。(3)N状态N状态下，逆变器输出端电压-Udc/2，开关状态为：SA3和SA4导通，SA1和SA2关断。当iA>0时，电流从电容C2负极流出，经功率器件SA3和SA4反并联的二极管流入负载侧，此过程可用图2-5(a)表示；当iA<0时，电流从负载侧经功率器件SA3和SA4流入电容C2负极，此过程可用图2-5(b)表示。1.2NPC型三电平逆变器动态换流过程NPC三电平逆变器的换流过程即为逆变器每相三个电平的动态切换，这种模式切换只能在相邻两电平之间，例如P、O之间切换，O、N之间切换，不允许P电平直接切换至N电平和N电平直接切换至P电平，这是由于相邻两电平切换只需要动作两个开关管，而P、N之间的切换需要动作四个功率开关管，这样不仅会增加开关损耗，还可能导致开关不同步造成器件损坏，必须避免。另外，电平切换必须遵循先关断后导通的原则。现假设换流过程中电流保持恒定，以A相为例详细说明NPC三电平逆变器动态换流过程。(1)P、O电平切换(a)P电平(b)死区(c)O电平图2-6iA>0时逆变器由P电平向O电平切换过程当iA>0时：P电平向O电平切换需先关断SA1后闭合SA3，电流因连续性路径从电容C1正极→功率器件SA1、SA2→交流负载侧变为电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧，完成P电平至O电平的切换，如图2-6所示；O电平向P电平切换需先关断SA3后闭合SA1，电流因连续性路径从电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧变为电容C1正极→功率器件SA1、SA2→交流负载侧，完成O电平至P电平的切换，如图2-7所示。(a)O电平(b)死区(c)P电平图2-7iA>0时逆变器由O电平向P电平切换过程(a)P电平(b)死区(c)O电平图2-8iA<0时逆变器由P电平向O电平切换过程当iA<0时：P电平向O电平切换需先关断SA1后闭合SA3，电流因连续性路径从交流负载侧→功率器件SA1、SA2反并联二极管→电容C1正极变为交流负载侧→功率开关管SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点，完成P电平至O电平的切换，如图2-8所示；O电平向P电平切换需先关断SA3后闭合SA1，电流因连续性路径从交流负载侧→功率开关管SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点变为交流负载侧→功率器件SA1、SA2反并联二极管→电容C1正极，完成O电平至P电平的切换，如图2-9所示。(a)O电平(b)死区(c)P电平图2-9iA<0时逆变器由O电平向P电平切换过程(a)O电平(b)死区(c)N电平图2-10iA>0时逆变器由O电平向N电平切换过程(2)O、N电平切换当iA>0时：O电平向N电平切换需先关断SA2后闭合SA4，电流因连续性路径从电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧变为电容C2负极→功率器件SA3、SA4反并联二极管→交流负载侧，完成O电平至N电平的切换，如图2-10所示；N电平向O电平切换需先关断SA4后闭合SA2，电流因连续性路径从电容C2负极→功率器件SA3、SA4反并联二极管→交流负载侧变为电压参考点O点→箝位二极管D1→功率开关管SA2→交流负载侧，完成N电平至O电平的切换，如图2-11所示。(a)N电平(b)死区(c)O电平图2-11iA>0时逆变器由N电平向O电平切换过程(a)O电平(b)死区(c)N电平图2-12iA<0时逆变器由O电平向N电平切换过程当iA<0时：O电平向N电平切换需先关断SA2后闭合SA4，电流因连续性路径从交流负载侧→功率器件SA3→箝位二极管D2→电压参考点O点变为交流负载侧→功率器件SA3、SA4→电容C2负极，完成O电平至N电平的切换，如图2-12所示；N电平向O电平切换需先关断SA4后闭合SA2，电流因连续性路径从