1.1 设计目的及意义

随着电力电子技术的飞速发展，多电平逆变器在高压大功率场合得到了广泛应用。目前在市场上用的最多的结构有两种，一种是二极管钳位型(Neutral-Point-Clamped, NPC)结构的中压三电平变换器，另一种是H桥级联型(Cascaded H-Bridge, CHB)结构的多电平变换器。在电压相对较低，3KV及以下等级的电机，一般采用三电平变换器结构。但是其固有的功率器件损耗不均衡问题在一定程度上限制了系统容量的提升，导致无法输出更高的电压，要想提高输出电压等级，必须采用更高电平数的拓扑结构。传统中点钳位(Neutral Point Clamped,NPC) 逆变器存在开关器件损耗不均匀的问题，导致部分开关器件在工作过程中发热严重，限制了NPC逆变器在高压大功率场合的应用。为了解决这个问题，多电平有源钳位拓扑在近几年来逐渐得到越来越多的关注。

与三电平NPC拓扑相比，三电平ANPC拓扑不仅能实现功率器件损耗的相对平衡，降低对器件的耐压要求，改善输出正弦性，而且在实现母线中点电压平衡的前提下能够扩展至五电平和七电平，从而可以提升变频器的容量，提高电压的输出等级。ANPC拓扑使用可控的开关器件来代替钳位二极管，使三电平逆变器输出零状态时有不同的电流通路，通过选择不同的电流通路可使通态损耗与开关损耗分散在不同的开关管上。三电平有源钳位逆变器拓扑均衡损耗分布，且结构简单、控制方法灵活。综上所述，多电平ANPC变换器相较于三电平NPC变换器具有更广的应用前景，因而，对多电平ANPC变换器结构及控制算法的研究在实际中的推广和应用具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

随着电力电子技术飞速发展，诸如IGBT、二极管等电力电子器件的耐压能力也得到了极大的提高，这使得变换器的容量也得到了很大的提升。高压大容量的变换器己经在市场上得到了广泛的应用，而这其中应用范围最广的又是三电平结构。但是，三电平NPC结构在运行过程中内管长时间处于导通状态，导致内管和外管的损耗不均衡，严重限制了系统容量和功率器件开关频率的提升。为了解决三电平NPC变换器固有的损耗不均衡问题，德国学者T. Bruckner在2001年提出了三电平有源中点钳位(Active Neutral Point Clamped, ANPC)变换器拓扑，利用带有反并联二极管的IGBT来代替钳位二极管。近年来，研究人员对于三电平ANPC拓扑结构进行了不同程度的研究，对三电平ANPC变换器的调制策略主要以SPWM为主，常用的方法大概有三种，即同相层叠载波调制法，反向层叠载波调制法和同相层叠和反向层叠两种方法的综合使用法。目前，ANPC多电平逆变器已投入市场，ABB公司推出了ACS2000系列的变换器所采用的即为ANPC五电平拓扑结构。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容和目标

针对传统中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC) 逆变器存在开关器件损耗不均匀的问题，研究设计三电平有源钳位逆变器，从而降低对器件的耐压要求，改善输出正弦性，平衡器件的损耗。具体要求包括讨论三电平有源钳位逆变器的拓扑结构，研究其PWM控制方法，并进行仿真研究，可进一步对五电平逆变器做一定研究等。

2.2技术方案

首先了解多电平逆变器的拓扑结构和工作原理，多电平逆变器又分为钳位式多电平逆变器拓扑和级联式多电平拓扑这两类，说明主要的多电平逆变器拓扑的优点和不足。学习三电平NPC逆变器的工作原理并且能够做出拓扑电路图，通过查阅相关文献进而了解三电平ANPC逆变器的拓扑结构特点，并对其换流状态进行分析，研究三电平ANPC逆变器的调制方法。通过阅读相关书籍和查阅资料，学习PWM技术原理和调制方法。

由于三电平NPC变换器内管比外管导通时间长，导致功率器件的损耗不均衡，而变换器设计时需要根据单个功率器件的最大损耗来决定系统的容量。因此三电平NPC变换器的损耗不均衡问题不利于功率器件的充分利用。针对功率器件损耗不均衡的问题，三电平ANPC变换器的提出有效解决了三电平NPC变换器存在的内外管损耗不均衡问题。分析三电平NPC逆变器的PWM调制方式和三电平ANPC逆变器三种不同的PWM调制方式，通过损耗计算公式分别计算出三电平NPC各开关器件的损耗和三电平ANPC逆变器在不同调制方式下的各开关器件损耗并加以对比，从而说明三电平ANPC逆变器与传统三电平NPC逆变器相比在开关器件损耗的平衡性上有很大的改善。利用MATLAB仿真软件进行仿真，对仿真结果得出的波形进行分析，说明三电平ANPC逆变器可以改善输出正弦性