三电平逆变器原理图

三电平SVPWM学习

三电平SVPWM原理与性能优化

三电平SVPWM是一种逆变器技术，其相较于两电平SVPWM，具有更低的开关应力、更小的开关损耗、以及更接近正弦波的输出电压波形，主要得益于其调制算法的优化。模型设计与实现过程可关注公众号“浅谈电机控制”，留下邮箱，模型将发送至邮箱。

三电平逆变器结构与原理

三电平逆变器由3个桥臂组成，每个桥臂包含4个开关管，并带有中性线，通过不同开关组合实现三电平电压输出。具体原理图如图1所示。三电平每相电压有3个电平，通过27个电压矢量组合实现，每相电压同时为零时，输出电压矢量为零。

三电平SVPWM核心技术介绍

三电平SVPWM的核心在于扇区判断、区域判断与时间状态分配。在每个扇区内，根据参考电压矢量位置，划分出小扇区，判断其所在区域。选择短矢量作为每个采样周期的起始矢量，确保在电压矢量变化时，只有一对桥臂动作，避免反向转矩和脉动，实现高效控制。

三电平与两电平SVPWM波形对比

三电平SVPWM相较于两电平SVPWM，不仅在波形接近度、电压利用率、谐波含量上表现出优势，而且在开关应力和开关损耗上显著降低。三电平电路具有高效率、低EMI、适用于大容量高电压场合等优点，但同时存在开关器件数量增加、控制复杂性和电位不平衡问题。

总结

三电平SVPWM技术提供了在电机直接转矩控制中的高效性能，通过减少开关应力、降低损耗、优化输出波形等手段，实现对电机的精准控制。在应用中需权衡其优点与挑战，例如采用二极管钳位式作为主电路拓扑结构，以实现三电平逆变器的高效稳定运行。

三电平spwm与svpwm之间的联系：零序分量（三次谐波）的分析与计算

学习目标：三电平svpwm调制利用矢量合成的原理，首先计算一个开关周期内各开关管的导通时间，然后通过调制波与三角载波比较的方式，实现计算出的各开关管导通时间。这个调制波为羊角波或马鞍波等，它可以通过三相正弦信号叠加零序分量（或三次谐波）实现，从而简化了扇区判断和开关时间计算等过程。许多资料在证明这一结论时，先设定三次谐波存在，然后反向地代入开关时间的计算公式，从而计算出三次谐波的表达式，然而这是逆向的逻辑。本文以NPC三电平逆变器的svpwm调制为例，从开关时间的计算公式出发，正向地证明这一结论并计算三次谐波的表达式。

一、基本原理

二、spwm调制方式

前文已经介绍了NPC三电平逆变器的spwm调制方式：将每个调制波和上下两个层叠的三角载波进行比较，当调制波同时大于两个载波时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波处于中间位置时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波同时小于两种载波时，桥臂输出状态为[公式]。取电源中点为参考地：

桥臂各输出状态列举如下：

调制波正半周期与上三角载波的比较结果为：

将一个三角载波周期内调制波[公式]的值看作近似恒定，三角载波的幅值为[公式]，利用图中相似三角形，得到一相桥臂输出电压的开关周期平均：

调制波负半周期与下三角载波的比较结果为：

此时一相桥臂输出电压的开关周期平均为：

即一相桥臂输出电压与调制波之间始终满足关系：

因此，若期望输出的三相对称电压波形如下：

则应该将调制波设置为：

即：

三、svpwm调制方式

在三电平svpwm调制方式中，利用矢量合成的原理计算各开关管的导通时间：

（a）第一大扇区第一小扇区

前文已经介绍了NPC三电平逆变器的svpwm调制的基本原理，并且给出了各扇区开关时间的计算公式，以第一大扇区的第一小扇区为例：

其中，[公式]为调制因数，定义为输出线电压幅值与输入直流电压的比值：

首先将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系，即：

于是得到：

利用调制波与三角载波比较的方式来实现此开关时间，前文中这个调制波的计算结果是羊角波：

各种资料说明svpwm的调制波是三相正弦信号叠加零序分量（三次谐波）的结果，下面证明这一结论并计算其中零序分量的表达式。以第一扇区的第一小扇区为例，给出一个开关周期内的调制信号和三角载波：

ps：此处对应当调制波同时大于两个载波时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波处于中间位置时，桥臂输出状态为[公式]；当调制波同时小于两种载波时，桥臂输出状态为[公式]

调制波的设置原理已在前文中给出，其中，三角载波的幅值为[公式]，定义各相输出状态的时间：

根据前文中svpwm的“开关序列分配”，主要小矢量输出时间[公式]在其对应P型小矢量和N型小矢量之间平均分配，用于维持直流侧中点电位平衡，由此得到了上述输出状态的时间，然而主要小矢量输出时间[公式]还可以在它们之间以其他比例分配，从而调节直流侧中点电位。为了满足一般性，将各相输出状态的时间重新定义为：

即P型小矢量的输出时间为[公式]，N型小矢量的输出时间为[公式]，[公式]为[公式]之间的比例系数。根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

其中，各矢量输出时间[公式]（即前述开关时间）的表达式为：

为了建立与三相正弦信号的联系，将坐标变换的表达式代入：

得到矢量输出时间[公式]与三相输出电压[公式]之间的关系：

将上式代入式（3-1）并简化处理：

而第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（b）第一大扇区第三小扇区

再将上一节同样的计算思路应用到第一大扇区的第三小扇区，给出其中开关时间的计算公式：

将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系：

对于第一扇区的第三小扇区，一个开关周期内的调制信号和三角载波为：

考虑P型和N型小矢量的时间分配，根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

变换至三相静止坐标系后，矢量输出时间[公式]的表达式为：

将上式代入式（3-2）并简化处理：

再考虑第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（c）第一大扇区第五小扇区

同样的计算思路应用到第一大扇区的第五小扇区，给出其中开关时间的计算公式：

将开关时间的计算公式转换至两相静止坐标系：

对于第一扇区的第五小扇区，一个开关周期内调制信号和三角载波为：

考虑P型和N型小矢量的时间分配，根据图中相似三角形的关系，计算出各调制波的大小：

变换至三相静止坐标系后，矢量输出时间[公式]的表达式为：

将上式代入式（3-3）并简化处理：

再考虑第一部分“spwm调制方式”中，调制波的设置为：

所以svpwm的调制波与spwm的调制波之间的关系为：

（d）扇区边界

至此，就给出了第一大扇区的第一、三、五小扇区中调制波的表达式，将它们归纳如下：

可以看出，不同小扇区中三次谐波的表达式不同，较难归纳出统一的计算规律，于是通过“加一项减一项”的方式，将以上表达式调整为近似相同的形式：

小扇区不同，三次谐波的表达式也不同，因此小扇区的分界线决定了三次谐波的表达式。首先以第一大扇区的第一小扇区为例，其边界为：

将坐标变换的表达式代入：

重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

利用“spwm调制方式”中，调制波的表达式：

将式（3-4）的不等式组变换为：

再观察表（3-1），推测出：在计算三次谐波的表达式时，首先将spwm的调制信号[公式]中小于零的项加三角载波幅值[公式]平移至坐标轴的横轴上方，大于零的项保持不变，得到中间变量；再从中间变量中分别选取最大和最小值用于计算三次谐波的大小：

再利用第三和第五小扇区的数据验证这个猜测，第三小扇区的边界为：

将坐标变换的表达式代入，重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

再利用“spwm调制方式”中的调制波表达式，将不等式组调整为：

观察表（3-1），可以看出三次谐波的表达式满足前述推测。再给出第五小扇区的边界为：

将坐标变换的表达式代入，重写其边界为：

从不等式组中可以求得：

再利用“spwm调制方式”中的调制波表达式，将不等式组调整为：

观察表（3-1），可以看出三次谐波的表达式仍然满足前述推测。至此，就可以归纳总结出三电平spwm与svpwm之间的联系，即svpwm的调制波是spwm的调制波叠加零序分量（三次谐波）的结果：

三次谐波的计算式为：

以第一大扇区的第一、三、五小扇区为例，写出其计算结果：

四、仿真验证

前述文章中已经给出三相正弦信号叠加零序分量实现svpwm调制的仿真，其中P型和N型小矢量的分配系数[公式]；三角载波的幅值[公式]，这里不再重复提供仿真文件。

三电平电路的介绍

三电平逆变器：1拓扑为在两个电力电子开关器件串联的基础上，中性点加一对箝位二极管的三电平逆变器，又称为中性点箝位型（Neutral Point Clamped，简称NPC）三电平逆变器，所示即为三相三电平NPC逆变器拓扑结构，由两个直流分压电容C1=C2、三相逆变电路组成。负载为三相感应电机。

T型三电平逆变器工作原理

单相拓扑设计以4个IGBT、4个二极管、两个电容C1,C2和一个电感L为基础。假设C1和C2电压差相等，均为Vdc。通过二进制表示四个IGBT的状态，如T1,T2,T3,T4为1、1、0、0，则转换为开关状态C。T型三电平逆变器稳定模态包括C、6、3三种。模态C输出电压Vdc，模态6输出0电压，模态3输出-Vdc。考虑死区后，存在4、2两种状态，死区状态4和死区状态2输出高阻。T型三电平的电压转换流程为Vdc->0->-Vdc->0->Vdc，其切换状态在图2中表示，**为死区状态切换，蓝色为稳态。

T型三电平拓扑中的IGBT控制转换逻辑图在图2中编写。特别注意，拓扑中所有开关状态的循环切换是关键。输出Vdc到0状态变化瞬态，开关状态从C（1100）到状态4（0100）时，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径在图中显示。关断过程中T1管的Vce两端产生尖峰电压（换流引起）。从4状态到6状态、2状态到6状态、6状态到4状态、4状态到C状态的切换过程，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径同样在图中给出。小结，IGBT部分在关断时产生电压尖峰，T1和T4管的风险较低，T2和T3管的风险较高。二极管部分在反向恢复时产生峰值功率，D1和D4管的功率较小，D2和D3管的功率较大，需要特别关注。

什么是三相三开关三电平逆变器

问题一：三电平是什么意思？

三电平指的是三种电平状态：高电平V/2、零电平0V、低电平-V/2。这实质上是开关阀值的问题，为输出提供了三种电平状态。三电平控制技术主要应用于变频器中，通过钳位电路解决了功率器件串联问题，并使得相电压输出具有三个电平。三电平逆变器主回路结构简单，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。然而，在国内市场中，三电平逆变器面临的最大挑战是电压问题，其最大输出电压难以达到6KV，因此常常需要采取变通方法，如改变电机电压或在输出侧添加升压变压器。这一弱点限制了其广泛应用。这也是该技术不太为人所知的原因之一。

问题二：多电平比如三电平名称的含义？

电平是指逆变直流侧的直流电压等级。三电平指的是通过开关管的作用产生的三个电压平台，这些平台通过分割形成正弦波。例如，相电压是三电平，而线电压则是五电平。

问题三：三相三开关三电平整流是什么意思？

三相三开关三电平整流是指一种特定的电力电子装置，其主回路结构环节少，采用钳位电路来解决两只功率器件的串联问题，并使得相电压输出具有三个电平。这种结构易于实现能量回馈，但在电压方面存在限制，需要采取变通方法以适应不同应用需求。

问题四：什么是三电平结构？

三电平结构是指在电力电子装置中，通过特定的电路设计实现三种不同的电平状态。这种结构主要应用于变频器中，可以提供三个电平输出。三电平逆变器的主回路结构简单，易于实现能量回馈。然而，该技术在国内市场面临的最大挑战是电压问题，其最大输出电压难以达到6KV，因此常常需要采取变通方法，如改变电机电压或在输出侧添加升压变压器。

问题五：什么是单相三电平逆变器？

单相三电平逆变器是一种电力电子装置，具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小、控制方法成熟简单等优点，在高压调速领域得到了广泛应用。正弦脉宽调制（SPWM）是其核心技术之一。本文介绍了单相三电平逆变器的结构和基本原理，并分析了SPWM控制法对三电平逆变器的控制。

问题六：三电平变频器的输出波形是什么样子？

三电平变频器的输出波形是指其输出的电压或电流波形。下图是3300V永磁风力发电机用三电平变流器的电压波形和电流波形，仅供参考。

问题七：三电平逆变器较二电平逆变器的优势是什么？

三电平逆变器相较于二电平逆变器的优势主要在于谐波小，输出不需要很大的滤波器。在传输距离较远的情况下，可以有很小的电压损失，对后期负载，如电机的冲击比较小，不需要用防护等级高的点击。理论上，三电平逆变器与二电平逆变器肯定有区别，但具体区别可以通过查阅相关课本或资料了解。

问题八：三电平PWM变频器具有哪些优点？

三电平PWM变频器具有提升电压应用、输出波形好、波形好、模块耐压低等优点。在通信、电子等领域，电平是用来表示输出/输入信号的比较，用电平来表示会有极大的便利性。介绍了西门子采用三电平高压IGBT开发的中压变频器SIMOVERTMV、有源前端技术及应用。

问题九：三电平电路的工作原理是什么？

三电平电路的工作原理涉及到开关管的开通和关闭，以及电压的钳位和分割。例如，TL整流器主电路由8个开关管组成，通过不同的状态转换，可以产生不同的电平，从而实现交流侧电压的调控。具体的电路和工作原理可以通过查阅相关资料或课本了解。

三电平SVPWM基本理论（1）

一、三电平基本原理

三电平逆变器主要由T型NPC、二极管箝位型（I型NPC）和飞跨电容型（FC NPC）三种拓扑结构组成。

二、二极管箝位型分析

以A相为例，分析其工作原理。

1）Q1与Q3、Q2与Q4分别互补导通，形成电流流向负载或逆变器。

2）在Q1、Q2同时导通，Q3、Q4同时关断时，电流从逆变器流向负载，此时A点电位等于DC+，相当于Udc/2。

3）Q3、Q4同时导通，Q1、Q2同时关断时，电流从负载流向逆变器，此时A点电位等于DC-，相当于-Udc/2。

4）通过D1、Q2或D2、Q3导通，电流可以分别从逆变器流向负载或负载流向逆变器，此时A点电位等于中点电位O，相当于0。

三、开关状态与输出电压的关系

任意相可投入三个电平，通过开关函数定义电平状态，即相对于O点的电平。

四、电平定义与切换模式

对于任意相，电平状态有三种切换模式，形成对应的电平状态表达式。

五、输出线电压计算

任意相输出电压可通过线电压的计算公式得出，公式包含线电压与电平状态的矩阵关系。

六、负载相电压计算

在三相平衡条件下，根据负载相电压的计算公式，可以得出负载相电压与线电压之间的关系。

逆变器中提到的两电平逆变器,三电平逆变器中的电平是什么

在逆变器中，电平概念指的是用于信号传输或能量转换的电压级别。两电平逆变器设计简洁，仅提供两种电压级别：高或低，适用于低成本应用。相比之下，三电平逆变器提供三种电压级别，通过引入电压中点，实现更精细的电压控制，如图所示。

三电平逆变器相比两电平逆变器，在系统层面拥有显著优势：

1. **损耗减少、开关频率提升、成本降低**：例如在NPC1拓扑中，开关器件的电压降低至原来的一半，大幅降低了器件的开关损耗。提升开关频率后，可以减小输出滤波器的体积和成本。在功率等级不变的情况下，通过提高母线电压，可以减小输出端电流，降低输出线缆成本。

2. **器件可靠性提升**：在相同电压等级的系统中，三电平拓扑中的器件承受的阻断电压更低，从而提升了器件的可靠性。

3. **改善电磁干扰（EMI）**：三电平逆变器在开关过程中的dv/dt显著降低，有效改善了系统的电磁干扰。

尽管三电平逆变器存在器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均和中点电位波动等挑战，但其独特优势使得其在光伏、储能、UPS、APF等众多应用领域得到了广泛使用。下面将详细介绍常见的三电平拓扑：

- **NPC1拓扑**：通过优化电流路径和零电平换流机制，实现了损耗分布的优化和EMI的改善。在逆变工况中，NPC1的损耗主要集中在T1/T4管，而在整流工况中，主要损耗集中在T2/T3管和D5/D6管。仿真结果显示，在高频系统中，NPC1拓扑效率更优。

- **NPC2拓扑**：相较于NPC1，NPC2减少了二极管的数量，采用共射极或共集电极的IGBT和反并联二极管取代钳位二极管，从而降低了损耗，提高了中低开关频率下的系统效率。仿真表明，当电流等级和耐压相同，NPC2拓扑在中低开关频率下的总损耗低于NPC1拓扑。

- **ANPC拓扑**：通过替换钳位二极管为IGBT和反并联二极管，ANPC拓扑进一步优化了损耗分布，通过选择不同的零电平换流路径，实现了更均衡的损耗控制。ANPC的调制算法（ANPC-1、ANPC-2和ANPC-1-00）分别针对不同的损耗特性进行了优化。

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