三相四桥臂逆变器

1 前 言
    三相四桥臂逆变器，主要用于给三相不对称负载供电的UPS、中频变频器和航空机载变速恒频发电系统。它是近两年才出现的一种新型逆变器，主要特点是体积小重量轻 。
    一般的三相逆变器是只有三个桥臂的三相半桥式逆变器，当给不对称负载供电时，就必须在输出端接入一个△/Y输出变压器，或接入一个中性点形成变压器（ Neutral Formed Transformer简称NFT）。NFT是一个变比为1：1的自耦变压器，它虽然比△/Y输出变压器的体积重量小些，但它的体积重量是随负载不对称的程度而变化的，不对称度越大，它的体积重量也越大。为了除掉输出变压器，减小逆变器的体积重量，可以在三相半桥式逆变器的基础上加入一个桥臂来形成中性点N，如图1所示。这样就构成了适应不对称负载输出的三相四臂逆变器 。
2 三相四桥臂逆变器的开关模态
    三相四桥臂逆变器，是由三相半桥式逆变器与一个由S₇、S₈组成的公用桥臂结合而成的。开关S1、S4与S7、S8组成A相全桥逆变器；开关S₃、S₆与S₇、S₈组成B相全桥逆变器；开关S₅、S₂与S₇、S₈组成C相全桥逆变器；由公用桥臂S7、S8形成中性点。由于S₇、S₈是公用桥臂，因而A、B、C三相输出电流的激励就发生相互牵制，这是三相四桥臂逆变器控制时必须要解决的难点之一。

    假定三相四桥臂逆变器的每个桥臂有两种工作方式：上管导通、下管关断定 ；下管导通，上管关断定义为0，则四桥臂逆变器共有24=16种开关方式。引入开关电压相量用（uA，uB，uC，uN）表示，其中两种零开关方式：（0，0，0，0）和（1，1，1，1）是相同的，故共有15种不同的开关方式。一个单相全桥式逆变器有三种工作模态 。

    式中k分别代表A、B、C相，则三相逆变器共有3³=27种工作模态如表1所示。由于四桥臂逆变器只有四个桥臂，因而只有15种开关模态。因为有S₇、S₈中性点形成桥臂的牵制作用，在任一瞬间S₇、S₈只有一个导通，所以其它三个桥臂的开关不能同时存在相反的激励，故表1中的后12种开关模式不能存在。 表

2给出了三相四桥臂逆变器的15种开关模态及其对应的开关方式。
    表2中的15种开关模态，如果某相的开关模态为1，就表明该相加＋E，相电流增加；如果某相的开关模态为－1，就表明该相加－E，相电流减小；如果某相的开关模态为0，就表示该相续流，相电流增加或减小趋势较小 。

3 三相四桥臂逆变器的HCPM控制
    三相四桥臂逆变器由于设置了由S₇、S₈组成的中性点形成桥臂，这相当于能够实现三相四线制输出，此时各相电路就具有了独立性，各相的输出电压和电流只取决于各相的负载变化。因此采用具有独立控制性能的三态滞环电流脉冲调制（Hysteresis Current pulse Modulator，简称HCPM）控制方式是比较合适的，其A相电路框图如图2所示。它的控制规律是 ：
    当Δi>＋h时（2h为滞环宽度），S₁和S₈导通，S₄和S₇关断，A相加＋E，使相电流增大；当Δi<－h时，S₄和S₇导通，S₁和S₈关断，A相加－E，使相电流减小；当－h<Δi<＋h时，S₁和S₇或S₄和S₈导通，逆变器A相续流。这样，使A相输出电流在给定的滞环宽度2h范围内跟踪给定电流ira，经交流滤波器LfA、CfA滤波后，即可得到正弦波电流输出 。

    对于三相四桥臂逆变器，要用三个HCPM分别对逆变器的三相进行控制，但要注意解除由于S7和S8公用桥臂造成的电流激励的相互牵制，解决的办法是用中性点电流iN控制S₇和S₈的导通。三相逆变器在实现三相四线制输出时，三相星形负载虽不对称，但三相相电压是对称的，因此三相负载电流也是不对称的，使中线电流iN不等于零。中性点桥臂的S₇和S₈就是专为iN的流通而设置的，所以电流i_N就决定了开关S7和S8的工作状态。为了说明简单，假定三相星形负载是大小不相等的纯电阻负载，即：R_A≤R_B >Rc;三相负载电流i_A、i_B、i_C经L_f、C_f滤波后是正弦波电流，由于三相相电压是对称的，故i_A≥i_B>i_C，

    由 余 弦 定 理 、 正 弦 定 理 及 图 3可 知 ： 

    当 只 有 A相 有 负 载 时

    i_N=＋i_N和i_N=－i_N。i_N的的检测有两种方法，如图4所示。其中图4（a）是用两个小直流电容Cd₁=Cd₂形成直流电压中点N1作为中性点对iN进行检测；图4（b）是用小型NFT形成的中性点N1作为中性点对i_N进行检测。当三相负载对称时i_N=0，S和S₈都不导通；当i_N=±i_N时，±i_N的正半周使S₈导通，±i_N的负半周使S₇导通，逆变器四个桥臂在－i_N和＋

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