中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的工作原理

為了獲得三電平，每一相的四組開關(guān)（IGBT/Diode）只能有相鄰的兩組開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，即T_x1-T_x2，T_x2-T_x3，或者T_x3-T_x4。用字母P，O和N表示三組開關(guān)的狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)如表1所示。為了盡可能地減小開關(guān)損耗，一次開關(guān)狀態(tài)的改變只允許一個(gè)開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，即P?O和O?N。開關(guān)T_x1和開關(guān)T_x3狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系，開關(guān)T_x2和開關(guān)T_x4狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系，要避免出現(xiàn)多個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，否則會(huì)發(fā)生短路，燒毀元器件。

三電平NPC逆變器的工作狀態(tài)是指開關(guān)狀態(tài)和負(fù)載電流，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對稱性，本文只分析P→O開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)負(fù)載電流的方向不同，又可以分為i_ph>0和i_ph<0兩種情況。

為了更清晰、明確的進(jìn)行分析，先做如下假設(shè)：

①所有器件均為理想器件，不考慮死區(qū)時(shí)間和中點(diǎn)電壓不平衡問題；

②開關(guān)狀態(tài)改變時(shí)，i_ph電流方向不改變。

當(dāng)i_ph>0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2中（a）和（b）。?

P狀態(tài)時(shí)，開關(guān)T_x1和T_x2導(dǎo)通，T_x3和T_x4關(guān)斷。電流i_ph流過T_x1和T_x2的兩個(gè)IGBT。輸出端相對于中點(diǎn)V_az的電壓為v_dc/2。

O狀態(tài)時(shí)，開關(guān)T_x2和T_x3導(dǎo)通，T_x1和T_x4關(guān)斷。由于開關(guān)T_x1突然關(guān)斷，電流i_ph從T_x1的IGBT強(qiáng)制換流到鉗位二極管D_x5，仍然通過T_x2的IGBT流到輸出端。此時(shí)V_az電壓為0。

當(dāng)i_ph<0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖3中（a）和（b）。

P狀態(tài)時(shí)，開關(guān)T_x1和T_x2導(dǎo)通，T_x3和T_x4關(guān)斷。電流i_ph流過和的兩個(gè)二極管。輸出端相對于中點(diǎn)V_az的電壓為v_dc/2。

O狀態(tài)時(shí)，開關(guān)T_x2和T_x3導(dǎo)通，T_x1和T_x4關(guān)斷。由于開關(guān)T_x1突然關(guān)斷，T_x1的二極管承受反向壓降不能導(dǎo)通，電流i_ph從T_x1的二極管強(qiáng)制換流到鉗位二極管D_x6。

此時(shí)電壓V_az為0。

三電平NPC 逆變器其他工況下的工作原理，均可以用上述方法分析，此處不再一一贅述 。

圖1為中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的電容C₁，C₂，兩電容之間的點(diǎn)稱為中點(diǎn)Z，因此中點(diǎn)鉗位型逆變器也被稱作二極管鉗位逆變器；每一相包含四組IGBT/Diode（絕緣柵門極晶閘管/二極管）T_x1、T_x2、T_x3和T_x4；兩個(gè)鉗位二極管D_x5和D_x6（x=a，b，和c）。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出來，中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的一個(gè)很重要的問題就是：中點(diǎn)電壓平衡問題。理想的情況下，直流電容C₁，C₂的電壓均為E（E為直流電壓源V_dc的1/2），但是流過中點(diǎn)Z的電流對電容充電或者放電，加之電容保持電壓的能力有限，會(huì)導(dǎo)致電容C₁，C₂的電壓發(fā)生變化。工況惡劣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致上下兩電容電壓差過大，輸出電壓電流波形畸變，甚至損壞功率半導(dǎo)體器件 。

可以將三電平NPC逆變器的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

①在換流過程中，每個(gè)功率半導(dǎo)體器件所承受的電壓均為E（v_dc / 2）。這有助于逆變器電壓等級和功率等級的提高，在元器件的選擇方面也會(huì)留有更大的余地；

②由于三電平NPC逆變器輸出線電壓、相電壓波形的階梯均多余傳統(tǒng)兩電平逆變器，因此有著較低的諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）；

③在直流側(cè)電壓相同，相電流相同的工況下，三電平NPC逆變器的開關(guān)損耗約為傳統(tǒng)兩電平逆變器的1/2（將在后面的章節(jié)進(jìn)行論述），較小的開關(guān)損耗允許適當(dāng)?shù)卦龃箝_關(guān)頻率，進(jìn)一步減小諧波。

同時(shí)，由于三電平NPC逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，其也具有一些缺點(diǎn)：

①功率半導(dǎo)體器件較多，單相橋臂有四組IGBT/續(xù)流二極管，并且比兩電平逆變器多出兩個(gè)鉗位二極管。元器件的增加，為驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的設(shè)計(jì)帶來了麻煩；

②直流側(cè)兩個(gè)電容存在中點(diǎn)電壓平衡問題，有可能造成輸出電壓的畸變，甚至損壞元器件；

③功率半導(dǎo)體器件的增多，導(dǎo)致各個(gè)器件的損耗和結(jié)溫不同（將在后面的章節(jié)進(jìn)行論述），對散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜 。

三電平NPC逆變器的DC側(cè)電流紋波分析與損耗的計(jì)算，都是根據(jù)逆變器所采用的特定的調(diào)制方法來進(jìn)行的。因此，對三電平NPC逆變器調(diào)制方法原理的分析及仿真，是進(jìn)行DC側(cè)電流紋波分析與損耗計(jì)算的前提。

自多電平逆變器誕生以來，其相應(yīng)的PWM控制技術(shù)就一直是其研究的重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)兩電平逆變器的PWM控制方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，而多電平逆變器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、元器件較多等特點(diǎn)的限制，在控制方法上也更為復(fù)雜。

多電平PWM控制方法的研究主要是圍繞著兩個(gè)核心問題展開的：

一是輸出電壓波形的控制，即逆變器輸出電壓脈沖與調(diào)制波等效；

二是逆變器自身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括中點(diǎn)電壓平衡，輸出電壓、電流諧波的控制，功率開關(guān)器件的損耗分配控制等。設(shè)計(jì)合理的PWM控制方法，對于三電平NPC逆變器抑制中點(diǎn)電壓不平衡問題尤為重要 。

較為常見的多電平PWM控制方法分為：基于載波的PWM控制方法和空間矢量PWM控制方法。

（1）正弦脈寬調(diào)制方法（SPWM）

多電平逆變器的基于載波PWM控制方法一般采用載波層疊的形式。多電平載波層疊PWM控制方法與傳統(tǒng)兩電平PWM控制方式類似。對于m電平逆變器來說，采用（m-1）層相同幅值和頻率的三角形載波，分為上下兩層，與調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生開關(guān)序列，控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而輸出想要得到的波形。

對于三電平NPC逆變器來說，可以采用兩層載波。按照上下兩層載波的相位關(guān)系，可以分為反相載波層疊法和同相載波層疊法。

（2）反相載波層疊法

反相載波層疊法中，上下兩層載波相位相差180°，如圖4所示。圖4中，藍(lán)色正弦波為正弦調(diào)制波，與上下兩組載波進(jìn)行比較；黑色脈沖序列為交流輸出端（以A相為例）與DC側(cè)中點(diǎn)之間的電壓u_az 。

（3）同相載波層疊法

與反相載波層疊法相對應(yīng)，同相載波層疊法的上下兩組載波的相位完全相同，如圖5所示。

（4）三次諧波注入脈寬調(diào)制方法

對于沒有中線的三相對稱負(fù)載的逆變器系統(tǒng)，在輸出電壓中注入三的倍數(shù)次諧波或直流分量時(shí)候，對負(fù)載電壓波形不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，可以對正弦調(diào)制波注入合適的零序分量，從而達(dá)到相應(yīng)的目的。為了提高直流母線電壓利用率，可以采用三次諧波注入PWM控制方法，如圖6所示 。2100433B

三電平逆變器是現(xiàn)有多電平逆變器中應(yīng)用較為廣泛的一種，其應(yīng)用已有許多實(shí)例。其中，二極管中點(diǎn)鉗位型(neutral point clamped， NPC)逆變器多應(yīng)用在以靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術(shù)和以中高壓變頻為代表的大電機(jī)拖動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。但是二極管鉗位型三電平逆變器的研制、工程化和應(yīng)用仍存在著許多問題， 尤其是高性能、 高可靠性的系統(tǒng)并不多見 ，其主要原因有：

1）二極管鉗位型逆變器的實(shí)際性能分析困難。二極管鉗位型逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一相橋臂都由多個(gè)功率開關(guān)管和二極管組成；復(fù)雜的調(diào)制策略，令功率開關(guān)管不斷的開通和關(guān)斷，使逆變器工作在多種工作模式下。此外，工作回路中寄生電感的存在也會(huì)給器件的開關(guān)特性產(chǎn)生影響 。

2）實(shí)時(shí)在線狀態(tài)未知。對大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件的測試多為離線測試和準(zhǔn)在線測試。這兩種方法都無法同時(shí)、準(zhǔn)確地測量出大功率逆變器實(shí)際工況下各器件之間“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的動(dòng)態(tài)特性，無法得知器件的實(shí)時(shí)在線狀態(tài) 。

3）故障預(yù)防和裕量設(shè)計(jì)不合適。由于無法監(jiān)測到大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件在故障時(shí)異常的動(dòng)態(tài)特性，因此無法給故障的預(yù)防提供參考。且在大功率開關(guān)半導(dǎo)體器件選型時(shí)，裕量的選擇往往是憑經(jīng)驗(yàn)，常導(dǎo)致裕量設(shè)計(jì)不合適 。 解讀詞條背后的知識 電氣新科技 媒體人,《電氣技術(shù)》雜志社有限公司,科技領(lǐng)域愛好者

可有效改善三電平逆變器輸出電流質(zhì)量的優(yōu)化策略

天津市電機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能控制技術(shù)工程中心（天津工業(yè)大學(xué)）、天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院的研究人員谷鑫、劉潮、張國政、史婷娜、夏長亮，在2019年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“三電平逆變器同步不連續(xù)空間矢量調(diào)制輸出電流優(yōu)化策略”），以中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器...

首先我們要看看哪些宮位行星多，哪些少，來個(gè)總體的印象。

A-如果兩個(gè)人的行星集中在：第一宮、第五宮、第九宮

這是充滿生命力的宮位，當(dāng)兩個(gè)人的組合中點(diǎn)盤以這些宮位居多時(shí)，他們的關(guān)系通常是比較提升、追求、改善的。這三宮可以說是盡力把人生活得淋漓盡致、發(fā)揮生命潛質(zhì)。像是第一宮的尋求自我、第五宮的激發(fā)無意識中的創(chuàng)造力、第九宮的尋求生命、人類的目標(biāo)。

第一宮：主要反映一對夫妻那種可以被外界察覺的情況與相互關(guān)系，簡單講就是公眾眼中的夫妻形象；

第五宮：兩人間的浪漫、消遣，孩子和自我表達(dá)空間；

第九宮：家庭的理想、良知和旅行情況；

B-如果兩個(gè)人的行星集中在：第二宮、第六宮、第十宮

當(dāng)二人的合盤以二、六、十宮居多時(shí)，兩人的關(guān)系會(huì)比較在現(xiàn)實(shí)上打轉(zhuǎn)，因此顯得較功利、嚴(yán)肅、斤斤計(jì)較的就像土象星座的特質(zhì)一樣，凡事認(rèn)真，嚴(yán)陣以待。好像論壇就有一個(gè)第二宮行星很多的組合盤。

第二宮：與個(gè)人價(jià)值觀與財(cái)物金錢有關(guān)，當(dāng)?shù)诙m發(fā)生作用時(shí)，雙方可能會(huì)有金錢上的往來，若只是老板與員工倒還無所謂，但當(dāng)雙方是情侶間的借貸或是父母給予孩子零用錢時(shí)，難免斤斤計(jì)較而使原本不求回報(bào)的情誼現(xiàn)實(shí)化了。當(dāng)然了財(cái)運(yùn)大家比較關(guān)心，這要看行星的相位關(guān)系了。相位的好壞會(huì)對財(cái)運(yùn)產(chǎn)生影響。

第六宮：是家庭的義務(wù)與責(zé)任。理想事業(yè)、社會(huì)地位有關(guān)當(dāng)二人之間有第十宮的關(guān)系在時(shí)，事業(yè)與地位便是焦點(diǎn)之一可能是你很重視對方的身份地位，或是你因?yàn)槟橙说牡匚欢咏?

第十宮：相位良好的話，某一方的事業(yè)得以發(fā)展或是社會(huì)地位提升，若相位不佳時(shí)，某一方的地位、事業(yè)則會(huì)大受打擊。

C-如果兩個(gè)人的行星集中在：第三宮、第七宮、第十一宮

當(dāng)兩人的合盤，三、七、十一宮居多的話，他們的友誼都是十分自然而然的，就算是情侶、老板與員工、或老師與學(xué)生，當(dāng)有這三個(gè)宮位時(shí)，兩人的關(guān)系都會(huì)有一些友情的感覺存在，且多半有一種早就認(rèn)識、相見恨晚的感覺。

第三宮：掌管的是日常溝通、短程旅行、兄弟姐妹、鄰居、親密朋友。當(dāng)兩人有此宮位且相位不錯(cuò)時(shí)，會(huì)覺得對方跟自己很聊得來，以及增進(jìn)某一方或雙方的溝通技巧、自信心等等，雙方在溝通上都能得到很大的樂趣，另外兩人也很適合結(jié)伴出游。

由于第三宮亦掌管兄弟姐妹、親密朋友、鄰居這些平日關(guān)系親密的事項(xiàng)，因此當(dāng)兩人合盤有第三宮出現(xiàn)以及相位不錯(cuò)時(shí)，通常對對方會(huì)有一種熟悉感，而自然而然走在一起，就像有吸力一樣。

但若相位不佳，雖有緣分，卻是惡緣，比方兩人明明聊不來，老是牛頭不對蛇尾的，卻常常需要在一起溝通事情另外兩人的出游運(yùn)也不太好，像是天公不作美、交通阻塞、或是房間沒訂好什么的，阻礙很多如果相位不佳兩人又有契約關(guān)系的話，則要小心對方的契約書是否有誤，或是你誤會(huì)他的意思。

第七宮： 掌管的是配偶、對手、合作伙伴當(dāng)兩人的合盤中有第七宮時(shí)，不一定代表將來他有機(jī)會(huì)成為你的另一半也有夫妻是以第二宮的金錢為主的；也有以第十一宮為主的，相處起來像朋友一樣，甚至可有可無，柏拉圖式的夫妻關(guān)系。

第七宮相對于第一宮，代表先天自己較缺乏的部分，因此若兩人的組合中點(diǎn)盤有第七宮，其中或多或少摻雜了一種羨慕或是異極相吸的情感這種情感會(huì)讓雙方不由自主地走在一起。

相位若不錯(cuò)，你們可能是很處得來的朋友、合作無間的伙伴、甚至是在人生上互相扶持的夫妻；

若相位不佳，雙方雖然覺得對方身上有自己沒有的特質(zhì)而強(qiáng)烈吸引，但卻怎么樣也處不來；或是不自覺討厭對方展現(xiàn)出來的但卻是與你相同的缺點(diǎn)。

對雙方而言，第七宮是一面鏡子，可以在對方身上看到你缺乏或是渴望的特質(zhì)，或是在對方身上看到你們共同的優(yōu)缺點(diǎn)。

第十一宮:代表各種博愛、沒有邊界沒有限制的友誼。第十一宮的關(guān)系是不會(huì)在乎任何社會(huì)加諸的階級觀念，當(dāng)兩人的合盤有第十一宮存在時(shí)，你們通常很快就能找到一種熟悉、氣味相投的感，當(dāng)兩人的組合中點(diǎn)盤有第十一宮存在時(shí)，你們通常很快就能找到一種熟悉、氣味相投的感覺（在與其它人的比較之下），即使對方是窮光蛋、水肥大隊(duì)、人人走而避之的人物，第十一宮總能讓人輕易地產(chǎn)生親切感，即使自己是不擅交友的人，在遇到有第十一宮合盤的人時(shí)，你也會(huì)訝異自己怎么會(huì)如此迅速地對一個(gè)人交心交肺。

當(dāng)相位良好時(shí)，兩人的友誼是十分自然的，且自由自在不具束縛，就像俗語說的"君子之交淡如水"那樣，即使久久不見，再相逢時(shí)的友誼仍然熱烈不尷尬由于第十一宮有著博愛、助人、開放、創(chuàng)造的意義，有時(shí)雙方適合從事一些共同為社會(huì)做善事的活動(dòng)，理念或是活動(dòng)內(nèi)容也可能十分地創(chuàng)新先進(jìn)。

若相位不佳時(shí)，雙方可能懷有私人目的而在一起，無法發(fā)揮博愛、無私的精神為對方付出或?yàn)樗诘膱F(tuán)體付出。

D-如果兩個(gè)人的行星集中在：第四宮、第八宮、第十二宮

當(dāng)兩人的合盤有四、八、十二這三個(gè)宮位出現(xiàn)時(shí)，以我的解釋是比較宿命性。

第四宮：代表兩人可能是家庭成員、或是需要居住同一室、牽涉許多家居生活的關(guān)系有的時(shí)候，某一方可能扮演著像母親的角色，無怨無悔地照顧關(guān)心另一方。

相位不錯(cuò)時(shí)，雙方在從事以上活動(dòng)時(shí)都能在家居生活中得到內(nèi)心的安全感、溫暖及樂趣；

若相位不佳時(shí)，家可能變成戰(zhàn)場令人無法好好休息，像是某方可能聽音樂時(shí)開得很大聲、不愛整潔、不愛做家事、隨便帶朋友回家，而干擾了另一方在家時(shí)的安全感。

第八宮：的關(guān)系如果相位不錯(cuò)的話，雙方在共同處理財(cái)務(wù)方面是會(huì)使彼此受益的，由于第八宮亦代表人性的黑暗面，相位不佳時(shí)，可能某一方或雙方總是在私底下搞心機(jī)、小動(dòng)作來計(jì)算、陷害另一方，也可能牽涉到官司訴訟。

第八宮除了代表共有財(cái)產(chǎn)外，也代表神秘學(xué)，相位不錯(cuò)的話雙方適合一起去探究各種宇宙的奧妙，或是一起開一家偵探社在彼此第八宮的刺激下，雙方的直覺、觀察力都會(huì)發(fā)揮到極致。

第十二宮：的關(guān)系則是比較宿命的，往往跟前世因果比較有關(guān)連，因此當(dāng)兩人相遇時(shí)，也許會(huì)產(chǎn)生比較特別的感覺，或是兩人的相遇根本是一件很奇妙、難以理解的事情。

相位不錯(cuò)時(shí)，你可能變成對方的貴人，或是對方是你的貴人，若要問對方或是自己為什么要這樣不計(jì)回報(bào)的挺力相助的話，可能找不到原因；

若相位不佳時(shí)，可能你或?qū)Ψ绞潜舜说男∪?，讓彼此予取予求卻無法克制。

第十二宮亦代表夢、潛意識、靈感、心理有時(shí)第十二宮的關(guān)系會(huì)反映在某一方是對方的心理良藥，能撫平治療對方的傷痛，或是可能刺激某方的靈感。

命盤相位星座2100433B

鉗位電路（clampingcircuit）是將脈沖信號的某一部分固定在指定電壓值上，并保持原波形形狀不變的電路。

鉗位電路經(jīng)常用于各種顯示設(shè)備中。在示波器和雷達(dá)顯示器中用鉗位電路使掃描信號的直流分量得到恢復(fù)，以解決掃描速度改變時(shí)所引起的屏幕上圖像位置移動(dòng)問題。在電視系統(tǒng)中用鉗位電路使全電視信號的同步脈沖頂端保持在固定的電壓上，以克服由于失去直流分量或干擾等原因造成的電平波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電視同步信號的分離。 2100433B