T型三电平逆变器的工作原理及Simulink仿真

本文对T型三电平逆变器的工作原理及simulink仿真建模方法进行介绍。

01T型三电平拓扑的开关状态

图1为T字型-三电平电路单相拓扑，拓扑中共有4个IGBT，4个二极管，还有电容组C1和C2; 假设正负母线电压均等，都是Vdc。 将T1，T2，T3，T4的状态用1和0分别表示，1表示开通，0表示关断。

图1 T型三电平逆变器拓扑结构

将T1、T2、T3、T4状态组成的二级制数用16进制表示开关状态，如T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0，则将该开关状态的二进制数1100用十六进制数表示为C。

稳定模态有3种：C，6，3; 即当T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0时，输出电压为Vdc; 即当T1、T2、T3、T4分别为0、1、1、0时，输出电压为0; 即当T1、T2、T3、T4分别为0、0、1、1时，输出电压为-Vdc。

考虑死区后，还存在另外两种状态，分别为4，2。 则T型三电平逆变器输出电压由Vdc → 0 → - Vdc → 0→Vdc的切换过程中，T型三电平具有如下图的切换状态，其中死区状态的切换用黄色部分表示，稳态状态用蓝色表示。

图2 T字型-三电平电路状态表

图3 T型三电平状态循环和电流流向

在该拓扑中，IGBT的所有开关状态的切换是循环的过程。

02T型三电平逆变器的换流过程

2.1. 开关状态为C时(T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0)，开关状态，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.2. 开关状态由C(1100)到开关状态4(0100)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.3. 开关状态由4(0100)到开关状态6(0110)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.4. 开关状态由6(0110)到开关状态2(0010)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.5. 开关状态由2(0010)到开关状态3(0011)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.6. 开关状态由3(0011)到开关状态2(0010)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.7. 开关状态由2(0010)到开关状态6(0110)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.8. 开关状态由6(0110)到开关状态4(0100)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

2.9. 开关状态由4(0100)到开关状态C(1100)的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：

小结：经过以上对三电平拓扑中每个切换过程的分析，可以得出如下结论：IGBT部分：1)电流朝外流时：T1(C-->4)，T2(6-->2)在关断时会有电压尖峰。 2)电流朝内流时：T3(6-->4)，T4(3-->2)在关断时会有电压尖峰。 3)T1~T4在关断时产生的电压尖峰，都是基于半个母线电压Vdc。 但是由于T1管和T4管的阻断电压高，所以T1管和T4管的关断电压应力风险相对较低; 而T2管和T3管是低压管，所以T2管和T3管的关断电压应力相对较大，这点需要特别注意。

二极管部分：1)电流朝外流时：D3，D4有续流。 D3(4-->C)，D4(2-->6)反向恢复。 2)电流朝内流时：D1，D2有续流。 D1(4-->6)，D2(2-->3)反向恢复。 3)高阻断电压D1管和D4管在反向恢复时，是基于半个母线电压Vdc，所以产生的峰值功率也相对较小; 但是D2管和D3管由于阻断电压较低，在基于半个母线电压Vdc反向恢复时，产生的峰值功率会相对较大，这点需要特别注意。

03T型三电平拓扑的Simulink仿真

作者在Matlab2014/Simulink上搭建两T型三电平的仿真模型，如下图所示：

图4 T型三电平仿真结构图

该simulink模型采用模块封装的方式，主要包含电路部分，控制部分以及波形显示三个部分。 采用闭环控制，对输出电压的平均值进行闭环，逆变器直流侧电压为750V，输出电压平均值为380V。 其T型三电平的电路结构如下图所示：

图5 T型三电平逆变器电路拓扑

其中控制器如下图所示，采用模块封装结构，分为输出电压平均值计算模块，PI模块，输出电压指令模块和调制模块。 均采用函数编写。

图6 T型三电平逆变器控制器

下图为T型三电平逆变器的调制模块，采用三次谐波注入的SPWM方式等效三电平SVPWM的调制。

图7 T型三电平逆变器调制示意图

下图为T型三电平逆变器simulink模型的仿真结果，分别为滤波器逆变器滤波前线电压波形，滤波后线电压波形和输出电流波形。

图8 T型三电平逆变器输出电流电压仿真波形