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作者：单庆晓 胡 楷 余志雄

摘  要：多重层叠逆变桥应用于电动汽车有诸多优点。层叠结构输出电压矢量种类大大增加，增加了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低电机中性点电压的波动。逆变桥的旁路特点可提高充电和再生制动控制的灵活性。

关键词：电动汽车  层叠结构  逆变桥的旁路

1  概  述

随着人们对城市环境的日益关切，电动汽车的发展得到了一个难得的机遇。在城市交通中，电动大客车由于载量大，综合效益高，成为优先发展的对象。电动大客车大都采用三相交流电机，由于电机功率大，三相逆变桥需要耐高压，承受大电流，器件在高开关应力下工作，承受较大的dv/dt，电磁辐射严重，并且需要良好的散热，降低了可靠性。

对于大功率的逆变桥，采用多重结构有诸多优点。多重结构分散了单个电力开关器件承受的电压电流值，降低了对器件的要求；降低了dv/dt值，减少电磁辐射，器件的发热大大减少；由于输出电平种类增加，控制性能更好。

图1为采用层叠方式的三相逆变桥。每一个单体逆变器是一个单相全桥逆变器，有独立的直流电源。在电动车上，由独立的蓄电池提供。因此，降低了多个蓄电池串联带来的危险性，便于蓄电池的拆卸。若采用相同的蓄电池，同两电平的三相逆变桥相比，层叠式逆变桥需要三倍的蓄电池。

2  空间矢量控制策略

相对于三相SPWM技术，层叠式逆变桥的控制方法有多谐波PWM技术（SHPWM）[1]，相移PWM技术(PSPWM)[2]等。由于电动汽车对电机的动态响应有较高的要求，采用三相异步电机的电动汽车一般采用矢量控制方法和直接转矩控制方法。在矢量控制中，由于层叠式逆变桥可输出多种PWM电平，因此在电流跟踪控制时可大大降低开关次数，减少输出电流的谐波，改善跟踪效果。

当采用空间矢量控制时，逆变桥输出矢量可表示如下：

（1）

其中，  ，  ，  是输出端A, B, C相对中性点N的电压。

（2）

设

（3）

则

对于两电平三相桥，  有两个电压可供选择+1， -1。因此两电平三相桥输出矢量总数为  ，包括两个零矢量（1，1，1），（-1，-1，-1）。如图2所示。

假设逆变器的每相由两个全桥逆变器串行叠加，每个全桥逆变器的输入直流电压为  ，则开关状态与输出电平的关系如下表所示。

则三相桥输出矢量总数为 种，包含4个零矢量，16个相重矢量。

3  中性点的偏移

对于图4的两电平的三相逆变桥，以N’的电压为参考电压，  ，其中性点N的电压是脉动的，脉动幅度为Ud/6。波形如图5所示[3]。对于多重逆变桥而言，其输出的电平有多种，以二重逆变桥为例，假设每单体逆变桥直流侧电压为  ，输出的  ，  ，  是阶梯波，阶梯波的电平分别为  ，  ，如图6所示。设  ，由

可得     

可见，在二重逆变桥工作过程中，中性点N的电压保持恒定。

4  蓄电池的均衡充放电

由于电动汽车的工况随着驾驶情况的不同而改变，因此电机的电压也是在随时波动。对于多重逆变桥而言，并不是所有电池都参与电流的提供。在低调制系数下，仅有少数电池贡献电流。这部分电池相对其他电池而言，放电速度更快些。

为平衡电池的放电，Leon 提出让每一组电池在一个正弦波周期内，导通180度。并提出还可采用交替导通的方法，均衡电池的放电[4]。

蓄电池充电和再生制动时，多重逆变桥作为整流桥工作。每单体逆变桥当上桥臂或下桥臂全部导通时，该逆变桥的蓄电池组则被旁路。设n个逆变桥串联，  个逆变桥被旁路，则输出电压为  。通过旁路方式，可灵活的对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。

5  结  论

多重层叠逆变桥适用于大功率的电动汽车驱动系统。采用层叠结构，可降低多个蓄电池串联带来的危险，降低开关应力和减少电磁辐射。但需要的电池数增加了2倍。

层叠结构输出电压矢量种类大大增加，增加了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低电机中性点电压的波动。为维持每组蓄电池电量的均衡，在运行时需要确保电池的放电时间一致。通过旁路方式，可灵活的对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。

参考文献：

[1] G.Carrara, S. Gardella, M.Marchesoni, R. Sallutari, and G.Sciutto, "A new multilevel PWM method:A theoretical," IEEE Trans. Power Electron, vol.7,pp.497-502,July 1997

[2]  Leon M.Tolbert, “Multilevel PWM Methods at Low Modulation Indices” . IEEE Trans. Power Electron. ,Vol.15,NO.4, JULY 2000

[3] J.Rodriguez, “A Vector Control Technique for Medium Voltage Multilevel Inverters” IEL_0293CNF:7283:19685:911644

[4] Leon M.Tolbert, “Multilevel Inverters for Electric Vehicle Application”. IEL_0218CNF:5908:15758:731062