多电平变换器零共模PWM的缺陷分析

无论是载波比较PWM还是空间矢量PWM，多电平变换器都可以在理论上消除共模电压，在实验中极大地降低共模电压，从而在源头上扼制共模传导EMI，但是多电平零共模PWM也带来一些问题。

首先，调制比的范围缩小。由于中矢量的长度只有大矢量的0.866，所以完全由中矢量合成的参考矢量的模长只能达到使用了大矢量的普通SVPWM的0.866。如图7-20所示，零共模PWM的线性调制区是6个中矢量构成的正六边形的内切圆。

其次，开关损耗是普通SVPWM的两倍。如图7-23所示，零共模PWM在一个载波周期内每个桥臂动作四次，而普通SVPWM只有两次开关动作。这是因为只有一种零矢量可以使共模电压为零，那么就没有冗余的零矢量可以保持桥臂的输出状态，使得零共模PWM在中间时刻必须回到零，造成多余的开关动作。实际上，在这种调制方式下真实的开关频率是载波频率的两倍。

图7-23 三电平变换器的开关次序

a）普通SVPWM b）零共模PWM

再次，纹波和THD增大。普通SVPWM有27个开关矢量实现电压合成，充分利用了开关组合方式来实现逆变器输出电压应力的优化，参考电压与开关电压矢量之差比较小，因此电流纹波得到抑制。只采用6个中矢量实现参考电压合成，等于牺牲了其他开关组合在电压合成中的作用，电压应力加大，电流纹波也会明显增加。图7-24所示为三电平空间矢量合成参考电压的例子。图7-24a是普通SVPWM的合成，采用了和参考矢量最相近的三个开关电压矢量（ppn、pon和ppo/oon），而图7-24b是零共模电压PWM下的矢量合成，只能采用中矢量（pon、opn以及ooo）合成参考矢量，后者开关矢量与参考矢量的差更大，带来的是电感上更大的电压应力和电流纹波。图7-25所示为实验结果中的电流纹波对比。采用普通SVPWM的输出电流THD为7.13%，而采用零共模PWM则达到12.92%。

图7-24 三电平变换器空间矢量合成与电压之差

a）普通SVPWM b）零共模PWM(www.xing528.com)

图7-25 三电平变换器的输出相电流比较

a）普通SVPWM b）零共模PWM

除此之外，仅采用中矢量，给直流母线电压平衡带来严峻的挑战。中点电位的波动是NPC三电平变换器固有的问题。每个矢量对中点电位的影响不一样：大矢量和零矢量不会向中点注入电流，因此不会影响中点电位；中矢量有一相与中点连接会对中点电位造成影响，尤其在调制比较高和功率因数较低的情况下尤为严重；成对的小矢量对中点电位的作用恰好相反，这个自由度是用来平衡中点电压的关键。而零共模PWM没有成对的小矢量可以使用，所以对中点电压的平衡能力大大降低。图7-26是两种PWM的中点电位波动比较（V_dc=200V，m=0.9，C₁=C₂=450μF，PF≈1），显然零共模造成的中点电位波动幅度大得多。

图7-26 三电平变换器在普通SVPWM和零共模PWM下的中点电位比较

表7-1总结了两种PWM的各种性能的对比结果。显然，三电平拓扑拥有抑制共模电压的自由度，通过选择合适的空间电压矢量能够在理论上消除共模电压。然而，共模电压的消除是以直流电压利用率的降低、开关损耗的增加、中点电压波动加剧以及谐波特性的恶化为代价的。

表7-1 三电平变换器在普通SVPWM和零共模PWM下的性能比较