本文對T型三電平逆變器的工作原理及simulink仿真建模方法進行介紹。

01T型三電平拓撲的開關狀態(tài)

圖1為T字型-三電平電路單相拓撲，拓撲中共有4個IGBT，4個二極管，還有電容組C1和C2; 假設正負母線電壓均等，都是Vdc。 將T1，T2，T3，T4的狀態(tài)用1和0分別表示，1表示開通，0表示關斷。

圖1 T型三電平逆變器拓撲結構

將T1、T2、T3、T4狀態(tài)組成的二級制數(shù)用16進制表示開關狀態(tài)，如T1、T2、T3、T4分別為1、1、0、0，則將該開關狀態(tài)的二進制數(shù)1100用十六進制數(shù)表示為C。

穩(wěn)定模態(tài)有3種：C，6，3; 即當T1、T2、T3、T4分別為1、1、0、0時，輸出電壓為Vdc; 即當T1、T2、T3、T4分別為0、1、1、0時，輸出電壓為0; 即當T1、T2、T3、T4分別為0、0、1、1時，輸出電壓為-Vdc。

考慮死區(qū)后，還存在另外兩種狀態(tài)，分別為4，2。 則T型三電平逆變器輸出電壓由Vdc → 0 → - Vdc → 0→Vdc的切換過程中，T型三電平具有如下圖的切換狀態(tài)，其中死區(qū)狀態(tài)的切換用黃色部分表示，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)用藍色表示。

圖2 T字型-三電平電路狀態(tài)表

圖3 T型三電平狀態(tài)循環(huán)和電流流向

在該拓撲中，IGBT的所有開關狀態(tài)的切換是循環(huán)的過程。

02T型三電平逆變器的換流過程

2.1. 開關狀態(tài)為C時(T1、T2、T3、T4分別為1、1、0、0)，開關狀態(tài)，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.2. 開關狀態(tài)由C(1100)到開關狀態(tài)4(0100)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.3. 開關狀態(tài)由4(0100)到開關狀態(tài)6(0110)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.4. 開關狀態(tài)由6(0110)到開關狀態(tài)2(0010)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.5. 開關狀態(tài)由2(0010)到開關狀態(tài)3(0011)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.6. 開關狀態(tài)由3(0011)到開關狀態(tài)2(0010)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.7. 開關狀態(tài)由2(0010)到開關狀態(tài)6(0110)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.8. 開關狀態(tài)由6(0110)到開關狀態(tài)4(0100)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

2.9. 開關狀態(tài)由4(0100)到開關狀態(tài)C(1100)的過程中，IGBT的C-E電壓與輸出電壓的關系及電流路徑如下圖所示：

小結：經(jīng)過以上對三電平拓撲中每個切換過程的分析，可以得出如下結論：IGBT部分：1)電流朝外流時：T1(C-->4)，T2(6-->2)在關斷時會有電壓尖峰。 2)電流朝內(nèi)流時：T3(6-->4)，T4(3-->2)在關斷時會有電壓尖峰。 3)T1~T4在關斷時產(chǎn)生的電壓尖峰，都是基于半個母線電壓Vdc。 但是由于T1管和T4管的阻斷電壓高，所以T1管和T4管的關斷電壓應力風險相對較低; 而T2管和T3管是低壓管，所以T2管和T3管的關斷電壓應力相對較大，這點需要特別注意。

二極管部分：1)電流朝外流時：D3，D4有續(xù)流。 D3(4-->C)，D4(2-->6)反向恢復。 2)電流朝內(nèi)流時：D1，D2有續(xù)流。 D1(4-->6)，D2(2-->3)反向恢復。 3)高阻斷電壓D1管和D4管在反向恢復時，是基于半個母線電壓Vdc，所以產(chǎn)生的峰值功率也相對較小; 但是D2管和D3管由于阻斷電壓較低，在基于半個母線電壓Vdc反向恢復時，產(chǎn)生的峰值功率會相對較大，這點需要特別注意。

03T型三電平拓撲的Simulink仿真

作者在Matlab2014/Simulink上搭建兩T型三電平的仿真模型，如下圖所示：

圖4 T型三電平仿真結構圖

該simulink模型采用模塊封裝的方式，主要包含電路部分，控制部分以及波形顯示三個部分。 采用閉環(huán)控制，對輸出電壓的平均值進行閉環(huán)，逆變器直流側電壓為750V，輸出電壓平均值為380V。 其T型三電平的電路結構如下圖所示：

圖5 T型三電平逆變器電路拓撲

其中控制器如下圖所示，采用模塊封裝結構，分為輸出電壓平均值計算模塊，PI模塊，輸出電壓指令模塊和調(diào)制模塊。 均采用函數(shù)編寫。

圖6 T型三電平逆變器控制器

下圖為T型三電平逆變器的調(diào)制模塊，采用三次諧波注入的SPWM方式等效三電平SVPWM的調(diào)制。

圖7 T型三電平逆變器調(diào)制示意圖

下圖為T型三電平逆變器simulink模型的仿真結果，分別為濾波器逆變器濾波前線電壓波形，濾波后線電壓波形和輸出電流波形。

圖8 T型三電平逆變器輸出電流電壓仿真波形