【导读】三电平结构作为多电平逆变器拓扑结构之一，在实际工业现场获得了广泛 的应用。今天的参考方案介绍了中点箝位式三电平逆变器的驱动和保护机理，结合英飞凌最新的ARM Cortex M4内核32bit工业单片机XMC4500，示例了具体的实现方式，并给出了试验结果。
普通的二电平逆变器由有正、负两极的中间直流电压给逆变器供电，三电平逆变电器与普通的二电平逆变器相比，输出电平数（相电压三电平，线电压五电平）增加，输出电压的谐波减少。另外，三电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗，降低管子的耐压与系统的EMI方面性能都较普通的二电平逆变器有所改善。本文中我们以中点箝位型三电平逆变器（NPC）为例。
图1 二电平和三电平（NPC）结构
XMC4000是英飞凌最新推出的基于ARM® Cortex-M4的32位工业单片机家族，是面向实时控制系统的单片机设计取得的一次重大突破。英飞凌充分发挥其在设计面向实时控制应用的单片机方面深厚的技术专长，将之与ARM cortex M4内核的全部优点汇集于一身，打造出独一无二的XMC4000单片机家族。该单片机家族采用英飞凌强大的外设集，可针对不同应用的需求进行灵活配置，因而成为当今工业控制解决方案的不二之选。
三电平逆变器的驱动要求
从图1可以看出，三电平的输出有Vdc/2，0，-Vdc/2三种可能的电压输出值，分别记作P、O、N。开关状态P和0、0和N可以相互自由过渡，但P和N不能直接过渡，必须通过中间状态0来过渡，不允许P和N间直接跳变。定义电流从逆变器流向负载为正向，电流从负载流向逆变器为负向。
图2 三电平工作状态
由上面的工作状态我们可以分析得到下表
从硬件上来说，我们必须保证不会出现单管承受整个Vdc电压的情况（当然更不能全通短路），由此得到下面的开关状态表，绿色是安全状态，黄色是有硬件风险的开关模式，红色是不许出现的开关模式。
具体的操作上，从所有器件关闭到NPC开始工作，一个内边缘的功率器件（T2，T3）必须先开通，比如输出正电压（P）时是T2，当T2完全开通后再给T1开通信号，关断的次序则相反，必须保证T1完全关闭后再给T2关闭信号。时间间隔可以根据硬件参数选择，一般1到数微秒不等。如果当内边缘的功率器件（T2，T3）先关闭时，内边缘的功率器件（T2，T3）就会被施加整个DC母线电压，这是我们必须避免的情况。在应用中我们会遇到需要紧急关闭的情况，和两电平不同，三电平运行中如果简单通过Fault/TRAP 同时关闭T1，T2，T3，T4，由于各功率管实际关断过程时间的不确定性，会带来潜在的硬件风险，因此必须按照前面所述的正确关断步骤执行。
XMC4500实现三电平的优势
XMC4500是XMC单片机家族的第一代产品，能为多种不同类型的工业应用提供强大的处理能力，应对巨大的创新压力，满足缩短开发周期的需求。这是一个专为实现具备工业互连功能的高能效产品而打造的单片机平台。在XMC4500中包含了英飞凌特色外设CCU8模块，每个MCU有2个CCU8模块，每个CCU8模块由4组子单元组成，每个子单元都包含了独立的16bit定时器及两个比较通道，可输出两对互补PWM 信号，每个通道的死区可以自由设定为对称或非对称。
图3 ccu8子单元方块图
图4 ccu8的子单元两对PWM输出和死区注入
每个子单元对应的三电平桥臂驱动信号如下图
图5 ccu8子单元驱动三电平NPC桥臂原理
各个CCU8的子单元可以实现硬件同步启动，一个三相三电平只需要 3/4个CCU8模块就可以轻松构建。借助CCU8内部丰富的硬件触发源，可以完全硬件实现三电平保护关断逻辑，不需要用户软件干预，极大提高了可靠性。
实例分析
XMC4500驱动一个三相三电平逆变器，驱动信号和保护都在CCU80模块内部完成。
图6 ccu80模块驱动三相三电平逆变器示意图
CCU80模块包含CC80，CC81，CC82，CC83四个子单元，CC80，CC81，CC82为逆变器提供6对12路互补信号提供驱动，CC83完成保护逻辑。 步骤如下：
P0.7 作为Fault/TRAP端口，下降沿有效，接受到下降沿时，TRAP关断外边缘功率器件（T1，T4），同时硬件触发启动CC83的16位定时器。
当CC83定时器到达比较值时, CCU80.ST3置位, 通过external modulation gating the outp。
图8 ccu80 Extemal gate示意图
测试结果分析
黄蓝绿红分别对应T1，T2，T3，T4驱动信号。
图9 ccu8 三电平保护逻辑硬件实现
TRAP信号（P0.7下降沿）来了关闭输出外边缘功率器件T1，T4，内边缘器件T2、T3延迟关断，延迟时间取决于设定的CC83的比较值和分频大小。为了看的比较清楚，分频较大，人为加入了几十ms延迟，用户自己调整。
图10 ccu8三电平保护逻辑硬件的实现
恢复和保护步骤相反,先归零CC83，取消external modulation gating the output模式，恢复内边缘的功率器件（T2，T3），然后清楚TRAP，恢复外边缘功率器件（T1，T4）。
图11 ccu8三电平从保护状态恢复
综述
除CCU8之外，XMC4500还有很多其他特色外设，诸如4个捕获比较单元CCU4模块（每个模块4个子单元），可用于产生任意脉冲，触发事件，事件捕获计数等用途而无需CPU干涉。可支持4路同步转换的高性能12位ADC单元 ，满足电流，电压，频率，相位等多个物理量实时采集和及时获得精确结果的需求 ，片上4通道DSD(Delta-sigma 解调器)支持高精度小信号测量，12bit DAC等。丰富的通讯接口支持UART、SPI、IIC、IIS、CAN、ETHERNET、USB、SDMMC，满足通讯和存储需求。内部连接矩阵使得各外设之间很方便实现相互关联触发。配合32bit ARM cortex M4内核和大容量存储器（带Cache），XMC4500在电力电子和传动等工业应用中有广阔的前景。
