高　芳，高　锐

（长春职业技术学院工程技术分院，吉林 长春 130033）

三电平逆变器共模电压分析与抑制

高芳，高锐

（长春职业技术学院工程技术分院，吉林 长春 130033）

为抑制三电平逆变器共模电压，以二极管钳位式拓扑为例，分析其共模电压产生机理并提出一种抑制共模电压的简化三电平5段式空间矢量脉宽调制算法。该算法通过选取输出共模电压幅值小的基本电压矢量参与调制来抑制共模电压。仿真和实验结果表明，所提算法将共模电压最大幅值抑制到Vdc/6，比传统一般算法、抑制共模电压的7段式、7段式算法分别减少2/3，1/2，0，且可以克服上述3种算法输出共模电压幅值随其调制度变化而变化的缺点。

二极管钳位式三电平逆变器；空间矢量脉宽调制；共模电压；5段式算法

0　引　言

在大功率传动系统中，电动机负载中性点会产生共模电压，由于设备对地寄生电容的作用，会有共模电流产生。过高的共模电压和共模电流会对其他设备产生电磁干扰，使电机轴承老化甚至烧毁。目前，抑制共模电压的方法主要有：1）在逆变器输出端添加无源或有源滤波器[1-5]；2）改进控制策略[6-12]。通过改进控制策略来抑制共模电压的方法简单，无需增加硬件设备的投资，具有较好的经济效益。

空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器工作。与经典的正弦脉宽调制相比，具有直流电压利用率高，易于数字化实现，电动机转矩脉动小，谐波含量少等优点。此处针对传统三电平SVPWM算法计算量大、实时性差的缺点，基于直角坐标系，提出一种三电平SVPWM简化算法，基于该简化算法设计了一种5段式共模电压抑制方法。该方法可以将三电平逆变器共模电压最大幅值始终抑制在直流电压源电压的1/6且不受调制度变化的影响。

1　逆变器的拓扑结构及其共模电压分析

图1所示为二极管钳位式三电平逆变器的拓扑结构。经工频交流电整流得到的直流母线电压Vdc被两个分压电容等分。每个桥臂由4个主开关器件（含续流二极管）和2个钳位二极管组成，钳位二极管的中点和分压电容的中点O相连，在这4个主开关器件的连线中点引出输出电压，每相可以输出Vdc/2，0，-Vdc/2共3种电平。若指定每相输出电平为Vdc/2时，逆变器的开关状态Si=2（i=a，b，c）；输出电平为0时，Si=1；输出电平为-Vdc/2时，Si=0，则可以得到33=27个基本空间电压矢量，其分布如图2所示。按照幅值的大小，可以将这27个矢量分为零矢量（3个）、小矢量（12个）、中矢量（6个）和大矢量（6个）4种。

图1　二极管钳位式三电平逆变器拓扑

图2　三电平逆变器空间矢量图

在电机驱动系统中，共模电压是指直流电压源中点与电动机或变压器中点之间的电位差，即：

由式（1）可以看出，三电平逆变器产生的共模电压共有±Vdc/2、±Vdc/3、±Vdc/6和0，4个等级。各基本电压矢量所对应的共模电压如表1所示。

表1　三电平逆变器共模电压

2三电平简化SVPWM算法

传统的三电平SVPWM算法将空间矢量图分为6个扇区，每个扇区又划分为4个小三角形；为确定参考电压矢量Vref的准确位置，需要先进行扇区判断，然后再判断参考电压矢量位于该扇区中的哪个小三角形中，最后由于矢量作用时间的计算不能共用一组公式，每个扇区还要进行4次矢量作用时间计算。虽然可以利用相位角θ（0≤θ≤2π）进行旋转归一化使计算量减少到原来的1/6，但计算量仍然很大，不利于实时控制。

为进一步减少计算量，本文基于αβ两相直角坐标系，将三电平空间矢量图分为12个直角三角形扇区，如图3所示。

图3　三电平简化空间矢量图

2.1扇区判断及旋转归一化

扇区号s（s=1，…，12）可由式（2）确定。为减少计算量，可以将其他扇区归一化到第1和第2扇区，这样可以使计算量减少至1/6，如式（3）所示为经过旋转归一化处理后的相位角。

2.2矢量作用时间计算

以扇区1和扇区2为例，由于经过了扇区旋转归一化处理，扇区3，5，7，9，11的矢量作用时间与扇区1的相同，同样地，扇区4，6，8，10，12的矢量作用时间与扇区2的相同。即奇数号扇区相对应的矢量作用时间相同，偶数号扇区相对应的矢量作用时间相同。

定义调制度m如下式所示：

扇区1：

扇区2：

式中：Ts——采样周期；

t1、t2、t0——中矢量、大矢量和零矢量所对应的作用时间。

2.3抑制共模电压的5段式开关序列

为抑制共模电压，本文采取零矢量111、中矢量和大矢量参与合成参考电压矢量。即采用表1中后3行的矢量，由表1可以看出，共模电压最大幅值可以被限制在±Vdc/6。

本文所设计的对称5段式开关序列为：零矢量111作为首发矢量，中矢量次之，大矢量放在最中间位置。以扇区1、2为例，扇区1：111-210-200-210-111；扇区2：111-210-220-210-111。

3　仿真验证与分析

在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真验证，仿真参数为：直流电源电压Vdc=300 V，三相对称阻感负载R=10Ω，L=15mH，采样频率fs=5kHz。下面分别对基于传统SVPWM的三电平一般算法、7段式、5段式以及简化5段式算法进行仿真验证并对比分析。

3.1三电平一般SVPWM算法

所谓的一般算法是指三电平的27个基本电压空间矢量都参与合成参考电压矢量的算法。对于这种方法，当0.5≥m≥0时，输出共模电压最大幅值为±Vdc/2；当1≥m＞0.5时，输出共模电压最大幅值为±Vdc/3。图4为当m=0.433，0.866时，共模电压νCMV和a相电流ia的仿真波形，图中THD为谐波含量。

图4　一般算法仿真波形

3.2三电平7段式SVPWM算法

逆变器空间矢量图中小三角形顶点的矢量数量有的为偶数，有的为奇数。7段式算法选择基本电压矢量的原则是：对于偶数矢量选择最中间的两个矢量，对于奇数矢量选择最中间的一个矢量。经过筛选，按照小三角形3个顶点所对应矢量个数总和的奇偶性，可以将小三角形分为奇、偶三角形两类。

对于偶三角形，其总的矢量为4个，恰好可以组成对称式7段式开关序列。对于奇三角形，其总的矢量为5个，为组成7段式可以舍去开关状态之和最小或最大的矢量。最后，按照开关状态之和最小或最大的顺序组成7段式对称序列。

图5为当m=0.433，0.866时，7段式共模电压νCMV和a相电流ia的仿真波形。

3.3三电平5段式SVPWM算法

5段式算法是指在7段式算法的基础上将输出共模电压幅值大的矢量剔除，每个三角形顶点只保留一个共模电压幅值小的矢量（如图2中带括号的矢量）来参与合成参考电压矢量的算法。图6为当m=0.433，0.866时，5段式共模电压νCMV和a相电流ia的仿真波形。

3.4简化5段式SVPWM算法

图7为当m=0.433，0.866时，基于本文所提简化三电平算法的5段式共模电压νCMV和a相电流ia仿真波形。

3.5对比分析

以上在相同仿真条件下，分别在调制度小于0.5和大于0.5的情况下，对基于传统三电平SVPWM算法的一般算法、7段式、5段式和基于本文所提简化三电平5段式SVPWM算法进行仿真验证，下面进行对比分析。

一般算法由于采用所有矢量参与合成，由表1及图4的仿真波形结果可知，其共模电压的最大幅值为在调制度＜0.5时，零矢量000、222所产生的±Vdc/2；当调制度＞0.5且不过调制时，其共模电压最大幅值为±Vdc/3。由表1及图5的仿真波形结果可知，三电平7段式算法是在一般算法中舍去了零矢量222、000，所以其共模电压的最大幅值降为±Vdc/3，且其谐波含量（THD）要比一般算法低。5段式算法在7段式的基础上进一步舍去共模电压大的矢量，由表1及图6的仿真波形结果可知，该算法可以将共模电压最大幅值抑制在±Vdc/6，由于减小了开关频率，因而其谐波含量较7段式稍大。上述3种算法的共同特点是最大共模电压分布的比较密集且随调制度变化而变化；在不同调制度时，参与合成的矢量不同，即使不同矢量输出的共模电压幅值相同，但由于它们的作用时间在一个采样周期内不同，也会导致相同幅值共模电压的持续时间不同。由图7的仿真实验结果可以看出，基于本文所提简化的5段式算法，同样可以将共模电压最大幅值抑制在±Vdc/6，相比于传统一般算法、抑制共模电压的7段式、5段式算法分别减少了2/3、1/2、0，同时与传统算法的5段式相比，其共模电压的最大值分布较为稀疏，也就是整个共模电压的平均值较小。并且由于采用幅值较大的中矢量和大矢量参与合成，其输出电流幅值在相同调制度下，要比上述3种算法都要大。同时共模电压的波形不随调制度变化而变化。

图5　7段式仿真波形

图6　5段式仿真波形

图7　简化5段式仿真波形

4　实验验证

搭建二极管箝位型三电平实验样机对本文所提出的方法进行验证。实验样机的控制器采用主电路直流侧采用TI公司的TMS28335型号DSP来执行算法产生12路驱动脉冲。

实验样机主电路采用2个2 200 μF/400 V的电解电容，开关管采用IRF840型MOSFET，光耦隔离采用TPL250；吸收电路采用RCD型，电阻为10 Ω，电容为2μF的无感电容，二极管采用MUR860超快恢复二极管。

实验设置Vdc=450V，采样频率fs=5kHz，调制度m=0.866，负载采用Y型连接的三相对称阻感负载，电阻值为10Ω，电感值为5mH。

图8为由示波器获得的共模电压实验波形。由此图可以看出，共模电压最大幅值为75V，为直流母线电压的1/6，实验波形与理论分析和图7的仿真结果相同，大大减小了共模电压幅值，表明了所提算法是有效的。

图8　实验波形

5　结束语

针对传统三电平SVPWM算法计算量大，实时性差的问题，提出一种三电平简化SVPWM算法。为克服抑制共模电压的一般算法、7段式和5段式算法抑制共模电压效果差且共模电压幅值随调制度变化的缺点，基于简化算法设计了一种5段式共模电压抑制方法。该方法可以大幅减小共模电压的幅值且使其保持不变。通过仿真和实验验证了所提简化算法的有效性。

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Common-mode voltage analysis and reduction for three-level inverter

GAO Fang，GAO Rui
（College of Engineering and Technology，Changchun Vocational Institute of Technology，Jilin 130033，China）

In order to reduce common-mode voltage of three-level inverter，this paper takes diodeclamped topology for instance，analyzes its common-mode voltage generation mechanism and proposes a simplified common-mode voltage reduction three-level five-segment space vector pulse width modulation algorithm（SVPWM）.To reduce common-mode voltage，this algorithm selects proper basic voltage vectors to modulate.Simulative and experimental results show that，the proposed algorithm can suppress the maximum value of common-mode voltage to one sixth of DC voltage source value，and decrease respectively about two thirds，one second，zero comparing with traditional space vector modulation，seven-segment，five-segment algorithm.Meanwhile，it can overcome the disadvantage of common-mode voltage value varies with the modulation index of above three algorithms.

diode-clamped three-level inverter；SVPWM；common-mode voltage；five-segment algorithm

A

1674-5124（2015）12-0106-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.026

2015-03-10；

2015-05-08

国家自然科学基金（50677056）

高芳（1972-），女，吉林长春市人，副教授，硕士，研究方向为电子技术应用。