2.4 电容钳位3H桥的构成及其工作原理

电容钳位3H桥逆变器是由两个电容钳位式三电平逆变器组成的。由于电容钳位式三电平逆变器就是用钳位电容取代二极管对逆变开关管进行直接钳位的，所以不存在二极管钳位式多电平逆变器中主、从开关管的阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速恢复的问题。

为了采用钳位电容取代钳位二极管，得到多电平输出，并使每一个开关管上的阻断电压等于E/（m-1）（式中的m为电平数），就必须采用电压源（电容）钳位式多电平逆变器。对于电容钳位式多电平逆变器，为了能使钳位电容上的电压在整个工作过程中保持不变，并避免在零电压输出时钳位电容上存储的电能通过开关管短路放电产生的大电流对开关管造成损伤或破坏，就必须采用一种区别于二极管钳位式多电平逆变器的控制方式。二极管钳位式m电平逆变器的控制方式，是（m-1）组互补开关（基本单元）的上桥臂与下桥臂开关管的序号自上而下排列相同的控制方式，而当采用电容钳位式控制方式时，就必须改成（m-1）组互补开关（基本单元）的上桥臂与下桥臂开关的序号自上而下排列相反的控制方式，以保证在整个工作过程中钳位电容上的电压保持不变。

2.4.1 电容钳位式三电平逆变器

单相半桥电容钳位式三电平逆变器的电路如图2-11（a）所示，它是由两个直流分压电容Cd1、Cd2（Cd1=Cd2），四个逆变开关管V1、和V2、，四个续流（反馈）二极管和一个钳位电容C组成的。其中由开关管V1和′1 组成的基本单元1工作在互补状态；由开关管V2和′2 组成的基本单元2 工作在互补状态。两组互补开关（基本单元）在如图2-11（a）所示电路中是自上而下排列的，上桥臂与下桥臂的排列顺序正好相反，这样就可以使钳位电容上的电压在整个工作过程中都等于E/（3-1）=E/2，同时也可以避免在零电压输出时，钳位电容上存储的电能通过开关管V2、′1 短路放电产生的大电流对V2、造成损伤或破坏。其输出电压电平与开关管的开关状态之间的关系如表2-3所示。

假定对如图2-11（a）所示的电容钳位式三电平逆变器电路用如图2-12（a）所示的简化电路来表示，则与表2-3对应的等效电路如图2-12（b）～（d）所示，其中图（b）为输出电平等于+E/2时的等效电路；图（c）为输出电平等于+0时的等效电路；图（d）为输出电平等于-E/2 时的等效电路；图（e）为输出电平等于-0 时的等效电路。从图2-12（b）到图2-12（d）循环一周，就可以得到从+E/2→+0→-E/2→-0→+E/2一个完整的三电平输出电压波形。同时从图2-12（b）～（d）中也可以看出，在输出+E/2，+0，-E/2，-0的整个工作过程中，每一个开关管上的阻断电压均为E/2，而且钳位电容上的电压也为E/2。钳位电容上的电压（中间电压源）是由电源电压、电路结构和控制方式等用钳位电容得到的，故可以认为是电容取代二极管起了钳位作用。因此，该逆变器也叫做电

容钳位式三电平逆变器。由于在这种情况下电容上的电流为ia=+I、ia=0或ia=-I，所以这种逆变器的主电路可以通用于逆变器和断路器。同时，因为不同组开关可以在不同的时间动作，所以du/dt也很小。

此外，由表2-3还可以看出以下几点。

①开关管V1和′1，V2和工作在互补状态，平均每一个开关管所承受的正向阻断电压为E/2，这是单相电容钳位式三电平逆变器的基本控制规律之一。

②由于桥臂中间的两个开关管V2和′2的导通时间比开关管V1和的导通时间长一倍，所以由其引发的发热量也大约大一倍。因此在设计逆变器时，开关管的散热设计应以V2和为准。在选择开关管时，V2和的电流定额应选得大些。

单相半桥电容钳位式三电平逆变器，可以看成和单相二极管钳位式三电平逆变器相同，即它也是由开关管V1和组成的基本单元1与由开关管V2和2 组成的基本单元2组成的。当采用反相层叠SPWM控制时，仿照二极管钳位单相三电平逆变器的推导方法，可以得到电容钳位单相三电平逆变器的输出电压表示式为

式（2-45）与式（2-34）及式（2-41）相同，式中参数的意义及推导过程请参阅2.3.2节。

此外，与二极管钳位式三电平逆变器相比，电容钳位式三电平逆变器具有如下优点。

①在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性。

②由于钳位电容的引进，故可以通过在同一电平不同的开关组合使直流电源中分压电容上的电压保持均衡。

③可以控制有功功率和无功功率的流量，适用于高压直流输电场合。

但电容钳位式三电平逆变器也有如下缺点。

①钳位电容的成本高，而且封装困难。

②控制方法比二极管钳位电路复杂。

③存在电容电压不均衡问题。

2.4.2 电容钳位3H桥逆变器

电容钳位3H桥逆变器就是单相全桥电容钳位式五电平逆变器，它是由两个电容钳位式三电平逆变器并联组成的，如图2-13所示。其中图2-13（a）为其电路图，图2-13 （b）为其输出波形图。在图2-13（a）中，Cd1、Cd2（Cd1=Cd2）为直流分压电容（只是为了说明原理，实际可以不用），Ca和Cb为钳位电容。A桥臂与直流分压电容Cd1、Cd2（Cd1=Cd2）组成一个半桥式三电平逆变器A，它的输出电压为uAO；B桥臂与直流分压电容Cd1、Cd2（Cd1=Cd2）组成另一个半桥式三电平逆变器B，它的输出电压为uBO。单相全桥电容钳位式五电平逆变器的输出电压为uAB=uAO-uBO，它具有五个电平，如图2-13（b）所示。其输出电压电平与开关管的开关状态之间的关系如表2-4所示。

和如图2-10（a）所示的单相全桥二极管钳位式三电平逆变器（3H桥）相同，当该逆变器采用反相层叠式SPWM控制时，如果A桥臂的载波三角波的初相位角为α，B桥臂载波三角波的初相位角为α+π，且A桥臂与B桥臂采用相位相反的正弦调制波进行控制时，则由2.3.4节的推导方式及式（2-44），可以得到单相全桥电容钳位式五电平逆变器（3H）桥的输出电压表示式为

式（2-46）中各参数的意义与式（2-44）相同。

由式（2-46）可知，在输出电压uAB中将消除F′±1次以下的低次谐波、m′为奇数的载波谐波及其上下边频谐波。由于uAB的基波幅值与调制度M成正比，所以通过调节正弦调制波幅值的大小就可以调节逆变器的输出电压了。