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四电平控制结构如图2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成对的方式构成的，而每一对都是基于传统的二电平的控制思想去进行控制的。图3表明了此四电平的运行原理图和各大功率元器件所承受的电压以及各电容上分布的电压。从电路结构上可以看出整个电路所承受的电压为：V，2/3V，1/3 V，但在每一处于阻断状态的功率元器件的电压总是1/3V。这种结构技术圆满解决了各功率元器件上所承受的电压动态和静态的问题，同时不同的一对元器件的控制是在不同的时间段也限制了dv/dt的问题。实际上各元器件上所承受的浮动电压是由各电容来提供的，电路在换相过程中对各电容进行充放电，其电容电压遵守着如下的规则[2]：

这里的n为每一相共有几对大功率元器件的个数，例如：四电平结构的每相共有3对大功率元器件，即在这里 n=3。从电路结构中我们知道在每一功率元器件通过的电压取决于电容上的电压Ck和Ck-1并由下式给出：

现在我们知道每一阻断大功率元器件上所承受的电压为V/n，并且导通的元器件的电压为0。这就证明了图（3）的四电平的输出电压波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平结构的换相控制要同时满足：
电容电压要恒定，即

为了决定对每一对大功率元器件的控制类型，我们假定其最初的电压值Vck是由给出，并研究保持这些电压恒定的条件。

每一电容Ck都与功率元器件之间连接着，并取决于这对元器件开关的状态，在这个电容上的电流是+I，0，-I， 它能表达为：，这里的Sk和Sk+1是0或1（这将根据功率元器件开关的状态）。这个方程给出了下列电压Vck k＝1…n的稳定状态的稳定条件：

当电流I在一开关段为积分恒定时，则对电压Vck k＝1…n稳定状态的稳定条件可写为：

图3 四电平结构运行控制原理图

我们知道对于这种四电平结构所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路则采用的是PWM方式的调制技术。其控制回路采用了目前在工业系统中大量应用的高性能控制器（工业用计算机），用它来分配系统的工作周期和发送控制周期，在一个控制周期分成几个阶段，在每一阶段严格按照导通和关断的规律去控制IGBT功率元器件开关动作。从图3中我们可以很直观地看到各阶段各开关元器件的导通，关断的过程。例如在A段：1#，2#和3#的开关导通C1上充有正向电流；而在C段：2#，1#和3#的开关导通，而C1此时为放电状态。不管怎样我们的负载侧在一个周期内的各个阶段得到都是1/3V。同时我们很直观地看出在电容上的平均电流为0，电容在这里起到分压和使系统达到自然换相的目的。通过这种高速的分配控制，系统可以避免多个串联功率元器件在瞬间同时导通，有使输出电压波形更趋于所希望的正弦波形。

图4表明了在太钢实际采用的2个IGBT和电容模块化的结构图。这种通过双母排把IGBT和浮动电容组合在一起，最大化地减小了IGBT的开关电感，同时也使整个系统成为一整个抽屉式的结构，其每一相仅有3个模块组成，非常易于维护。

图4 两个IGBT和电容的结构图

4、结束语

IGBT四电平结构变频控制器是当今传动系统最新的前沿控制技术，此类变频器第一套装置应用在工业系统中是1999年在欧洲的冶金系统的轧钢卷取轧机上，其动态静态性能和可靠性都显示了当今技术的水平，2002和2003年先后在太钢和宝新投入运行的装置也取得了非常好的经济效益。本文较详细的分析了此变频器的拓扑结构和电流分配的原理。为选择适合于高压大容量场合多电平变频器的技术方案的应用提供了借鉴。

关键词： 拓扑结构 多电平 变频调速 高压变频器