第2章 多电平逆变器的分析与设计

Ucm_ab?Uan?Ubn2(1)

Udm_ab?(Uan?Ubn)(La?lb)2(La?Lb)(2)Utcm?Ucm?ab?Udm_ab?Uan?UbnUab(La?Lb)?22(La?Lb)(3)LabnUcm-abUdm-abCpvLg图10 单相系统共模模型o可得系统的总共模电压为

由式(3)可知，当并网接口电感 La、Lb两者取值不同时，差模电压 Uab会对总共模电压 Utcm产生影响。另一方面，当并网接口电感 La、Lb两者取值相同时，式(3)可简化为

Utcm?

Uan?Ubn2(4)表1 单相逆变器开关状态和工模电压关系 矢量 U0 U1 U2 U3 参数 Sa 0 1 0 1 Sb 0 0 1 1 Uan 0 Udc 0 Udc Ubn 0 0 Udc Udc Uicm 0 Udc/2 Udc/2 Udc 表1给出此时单相逆变器开关状态和共模电压Utcm的关系。如表1所示，双极

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性调制采用非零矢量 U1和 U2，共模电压为常量(Udc/2)；单极性调制中含有零矢量 U0和 U3，使得共模电压在Udc/2、Udc和0之间变化。因此，根据 icm=Cpv*(d Utcm/dt)可知，单极性调制时共模电流不为0，而双极性调制时共模电流 icm=0，可以实现共模电流(漏电流)的抑制。

由上述分析可知，对于传统单相无变压器型光伏并网逆变器拓扑，共模电流(漏电流)有效抑制的两个基本条件为：1）各桥臂电感值选取一致；2）采用非零矢量合成参考矢量，使得共模电压保持恒定。

2.4 主功率开关管的选择

2.4.1 IGBT的选取

四电平逆变器的功率开关管采用IGBT，IGBT的选择主要考虑额定电压、额定电流和开关速度。设计满载输出功率为10KW。开关频率为10KHz，直流侧电源为360V，每个开关管关断时承受的反向电压VG为360V,考虑到IGBT耐压选择规则：

VCES?1.5VG=1.5×360=540V （2-5）

功率因数接近1，则每个开关管最大输入电流IPK=2ID

PO10000??23.2A （2-6）

?2U0.98?2?311ID?IPK?2ID?23.2?2?32.8A （2-7）

设电感电流纹波系数为 20%，电感纹波电流为：

?IL?0.2?32.8?6.6A （2-8）

因此考虑电感纹波后的最大输入电流为：

IPKmax?IPK??IL/2?32.8?3.3?36.1A （2-9）

2.4.2 开关管特性分析

IGBT的特性主要由静特性，转移特性，开关特性，结电容特性和损耗特性，下面主要介绍其静特性和开关特性。

IGBT的静特性是指以栅极驱动电压VGE为参变量时，IGBT通态电流与集电极-发射极电压VCE之间的曲线。在一定的VCE下，集电极电流受VGE控制，VGE越高，IC越大。如图3-3所示，IGBT的伏安特性通常分为饱和区、线性放大区、正

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第2章 多电平逆变器的分析与设计 向阻断区和正向击穿区四个部分。IGBT导通时，工作在饱和区；关断时，外加电压由J2节承担，应当处于正向阻断区，此时最大集电极-发射极电压不应超过击穿电压VBR。

I饱和区CVGE3VGE1正向击穿区VGE2VRM0VGE增加VGE=0正向阻断区VBRVCEIC ——集电极电流；VCE——集电极-发射极电压VGE——栅极驱动电压；

VRM——反向峰值电压 VBR——正向击穿电压

图11 IGBT的静特性示意图

VGE90%tIC90%trr10%tdofftfitdontritVCE90%tontofft

ton——开通时间；tdon——开通延迟时间；tri——电流上升时间

toff——关断时间；tdoff——关断延迟时间；tfi——电流下降时间

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trr——内置二极管反向恢复时间 图12 IGBT的开关过程波形

IGBT的开关特性分为两大部分：一是开关速度 ，主要是指开关过程的各部分时间；二是开关过程的损耗。其开关过程波形如图12所示。

IGBT在开通过程中，大部分时间作为MOSFET来运行，在VCE下降过程后期，晶体管从放大区过渡到饱和区，从而增加了一段延时。

2.5 本章小结

本章介绍了多电平逆变器的产生、发展过程及其特点，根据所查阅的文献对多电平逆变器进行了分类。详细分析了二极管箝位式、飞跨电容式和级联式多电平逆变器的电路结构、工作原理及其特点。针对多电平逆变器电路中漏电流问题，简述了共模抑制原理，提出了一种新型四电平单相逆变器电路，并简述了其工作原理和四种工作状态。与其他传统的三级结构相比通过对电路中IGBT的控制可实现四级的输出电压和低的漏电流。

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