摘要：针对多模块三电平二极管箝位型级联整流器(3LNPC-CR)直流侧电压不均衡问题，在此提出一种平滑均压调制策略，在保证正常工作的前提下，实现了直流侧电压均压过程中各模块输入电平不跳变。通过分析3LNPC-CR的基本工作原理和控制方式，基于载波移相的正弦脉宽调制算法，提出了平滑均压调制算法。最后，采用平滑均压调制算法与冗余矢量切换相结合的策略，解决了模块内电容电压不均衡与模块间直流侧电压不均衡的问题。仿真和实验结果验证了该策略的可行性。
关键词：整流器；平滑均压调制；直流侧均压
1 引言
近年来，各种多电平变换器的拓扑结构被广泛应用于工业领域，包括三电平二极管箝位型变换器（3LNPC)、模块化多电平变换器（MMC)、级联H桥变换器（CHB）[1-2]。多电平变换器结构具有功率容量大、输出电压高、对开关器件耐压小等优点，适用于高压大功率场合。相较于H 桥级联整流器，3LNPC-C R在高压大功率场合具有较大优势，由于每个模块的耐压增高，模块级联个数相应减少，从而减小系统体积。因此3LNPC-CR稳定控制策略是近年来电力电子学术界研究的重要内容。
当级联的各个模块接入不同负载时，直流侧电压和功率也会存在不均问题。文献[3]提出一种基于PI控制器的控制调制策略，文献[4]提出一种基于载波移相的通用均压调制策略。但上述文献所提方法存在端口电平跳变的现象。文献[5]在载波移相空间矢量脉宽调制（SVPWM)基础上进行了优化，实现端口电平的平滑切换，但其应用拓扑为两模块NPC级联结构，未扩展到多模块拓扑。
基于3LNPC-CR的拓扑结构和控制方式，在此提出了一种平滑均压调制策略，实现了模块内电容均压与模块间直流侧电压均压，消除了直流侧电压均压过程中各个模块输入电平跳变情况，并提高了直流侧电压均压的能力。
2 NPC级联整流器
2.1 工作原理分析
三电平二极管箝位n模块级联整流器如图1所示。开关管V1~V8构成了一个全控桥电路。电感L和电容C串联构成二次谐波滤波环节。
由于两个桥臂开关状态对应电路的9 种工作状态，每个模块的输入端口电平有5个，对于n个模块级联的系统，输入端口电平共有4n+1个。其中uab为级联整流器网侧电压，un级联变换器端口电压，根据KVL定理，可以得出n 模块级联整流器的数学模型为：
2.2 控制策略分析
将n 个级联模块作为整体，采用瞬态电流控制方式。由于控制策略中加入了网侧电感电流的实时反馈值，因此是一种直接电流控制方式，其控制框图如图2 所示，数学模型为：
在图2 中，sinwt与coswt为基频信号，w为工频角频率，通过锁相环（PLL)检测输入电压相位可得。Udc*为给定直流电压，Is为给定电流，通过式（2)计算可得，Kp和Ki为PI控制器参数。
3 平滑调制均压策略
3.1 模块电平分析
为解决电压不均衡问题，在此定义相应的状态函数。根据式（1）对单个桥臂开关状态的定义，可以引出单模块电平为a，b 两桥臂开关函数的差为PWMj。级联整流器电平应为各模块电平数的和为PWMref。根据3LNPC中的9个状态，级联整流器中第j个模块电平数与充放电的关系见表1。
由上述分析可见，在保证总端口电平不变的条件下，利用PWMj=±1可解决模块内电容电压不均衡的问题，利用PWMj=±12可解决模块间直流侧电压不均衡的问题。
3.2 载波层叠脉宽调制策略
如图3 ，PSC-SPWM通过控制产生的调制波与三角载波进行比较产生相应的PWM开关信号。
对于单个模块而言，输入端口有-2，-1，0，1，2。5个电平，3个模块级联后输入端口可产生-6~6共13个电平。通过模块电平分析，电平为2时对负载充电，直流侧电压升高；电平为-2时对负载放电，直流侧电压降低。因此调制策略构建过程中，保证端口总电平数不变前提下，希望将2电平分配给直流侧电压最低的模块，将-2分配给直流侧电压最高的模块，以达到直流侧电压均衡目的。
3.3 平滑均压算法
构建矩阵S为各个模块电平数的矩阵：
当模块总电平数增加且功率方向为正时，即△m>0 且is>0 :
根据均压原则，需将电平的增加分配给电压最低的模块。对电压进行排序，得到电压排序矩阵：
当模块总电平变化时，利用变换矩阵p对模块进行修正。由于每个模块的电平只能在-2~2之间，考虑该约束条件，利用辅助矩阵Q对模块进行修正，其中Pij和qij为修正因子：
最终得到平滑调制均压策略的数学模型为：
模块总电平数减少时，与电平增加的情况相似。根据式（7）构建得到的平滑均压调制算法用于3 模块级联系统。通过模型计算得到了下次电平变化时的模块电平分配情况。在系统工作过程中，该分配算法将实时刷新下个状态的电平分配，具有良好的动态响应特性。
4 仿真与实验
4.1 仿真
在此采用Matlab/Simulink软件对通用均压调制策略进行仿真。由于通用均压调制策略当中仅考虑了均压能力最大化，并未对开关状态切换进行分析，各模块端口电压会发生跳变。对平滑均压调制策略进行仿真，仿真结果见图4 。由于平滑均压调制策略避免了各模块的电平数不能跳变，以各模块端口电压发生跳变时有且仅有1个电平跳变，网侧输出总电压Uab仍可保持13个电平。
4.2 实验
在此对平滑均压调制策略进行实验。基于FPGA控制器与三模块3LNPC-CR小功率实验平台完成了平滑均压调制策略实验，实验参数与仿真参数一致，实验结果如图5所示。
图5a为3个模块输入端口电压波形，3个模块输入端口均有5个电平。其中模块1 负载被切除，为了让模块1输出电压平衡，平滑均压调制策略将通过多次开关的方式让模块1迅速调整到自己需要的开关状态，因此模块1的开关次数将有所提高。由图5a中un1波形可知，在均压过程中模块端口输入电平不会发生跳变。
图5b中直流电压显示较大波动处均为整流器因直流侧电压不规则波动引起的毛刺。由于平滑均压调制策略不允许端口电平突变，因此系统均压策略的动态响应能力较弱，直流侧电压会出现一些波动，但波动范围不大，各模块直流侧电压在负载切除0.2s内再次达到均衡。
5 结论
在此提出了一种基于单相三电平二极管箝位型级联整流器的平滑均压调制策略，在此基础上，分析对比了通用均压调制策略和平滑均压调制策略的工作原理，最终实现了系统模块间的均压。
**为方便大家沟通，碳化硅 MOS 技术交流群已建，诚邀业内同仁、技术爱好者入群，共探前沿技术，交流实战经验，携手推动行业发展！
同时也欢迎添加作者个人微信交流合作：
国产碳化硅 就找明古微——感谢深圳市明古微半导体有限公司长期对本公众号的赞助与支持，深圳市明古微半导体有限公司作为爱仕特科技碳化硅MOS、中科本原DSP、乐山希尔整流桥堆及FRD等的核心代理商，与其深度合作并联合开发功率模块及电动主驱、工业能源等解决方案，助力工业电源、电力电子、SST、光伏储能、新能源汽车、充电桩等产业发展，更多信息请登录：www.mgmsemi.com
免责声明：1）来源：本公众号文章及图片均来自公开网络，旨在分享，不代表本号观点或对真实性负责。2）版权：若转载内容涉及版权，请原作者联系我们，将及时删除。3）责任：用户使用文章内容时需自行判断，因内容引发的所有损失，本号不承担法律责任。4）解释：本声明的最终解释权归本公众号所有，未尽事宜以法律法规为准。
