一种新型的级联型多电平逆变器拓扑

王鹏帅 韩如成

（太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024）

多电平逆变器是一种利用输入的多级直流电压合成所需输出电压的电力电子系统。其概念最早在1975年被提出[1]，与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器的主要优势在于其具有较小的电压应力dv/dt，输出电能谐波含量少，具有较低的电磁干扰和开关损耗，并且可实现更高的电压等级的输出。

最早提出的多电平逆变器的拓扑结构是H桥级联的形式[1]，在此基础之上发展了很多新型级联型拓扑。这种拓扑结构有基本功率变换单元级联而成，更易实现模块化，所以其电压和功率等级可以很容易的通过增加级联单元来进行扩展。1977年德国学者Holtz提出了一种三电平逆变器，1980年，日本学者南波江章等人对其进行了改进与发展，提出了一种二极管箝位式三电平逆变器[2]。随后的几年，飞跨电容式多电平逆变器被提出[3]，这种拓扑结构相较于二极管箝位逆变器来说具有独有的优势，一方面他不用数目众多的箝位二极管，另一方面，其具有更多的开关冗余，配合适当的控制策略可以更好地来解决分压电容的电压平衡问题。同时，一些由基本拓扑结构进行串并联或者电路改造后的新型拓扑也被提了出来[4-7]，它们被称作混合型拓扑。一些软开关技术也被用于多电平逆变器电路中来降低开关损耗和提高逆变效率[8-9]。最近，各国学者又提出了几种新型的逆变器拓扑[10-12]。

尽管多电平逆变器有诸多的优点，但它本身也存在一些问题。一个最大的缺点就是需要数量巨大的电力电子开关器件。虽然低电压等级和低开关频率的开关器件可以被用于多电平逆变器，但是每个开关器件都需要以一个与之相关的门极驱动电路和保护电路，导致整个系统非常的昂贵和复杂。所以在实际应用中，减少开关数目与简化门极驱动与保护电路就显得十分的必要。

本文介绍了一种级联型逆变器的新型拓扑结构，该拓扑结构可以实现在使用更少的开关器件和门极驱动电路的条件下实现更多电平的输出。文中还提出了一种减少使用直流电源个数的方法。最后，对这种新型的拓扑结构进行了基于 PWM调制方法的探讨和仿真研究，验证了该拓扑结构的正确性与优越性。

1 传统级联型多电平逆变器

传统的级联式多电平逆变器是以具有独立直流电源的单相两电平全桥逆变器（FBI或2H桥）为基本功率单元进行的直接串联叠加。图 1（a）为 2H桥基本功率单元（b）为单相传统级联式多电平逆变器的拓扑电路。

图1 传统级联多电平逆变器

图1中的开关器件均为IGBT等电力电子开关器件，图1（b）为2H桥级联式多电平逆变器的单相拓扑结构，其总的输出电压可由下式表示：

如果令第一个直流电压源（v1）为基准电压，且

那么，这种级联型逆变器就称为对称多电平逆变器，其最大输出电压可表示为

式中，n为H桥的个数，而其有效地输出电平数为

不对称的拓扑结构可以在不增加H桥数目的基础上，增加输出电压的电平数。在文献[11-12]中提出了一种不对称多电平逆变器的电压选取方案，其最大输出电压和电平数可由下式表示：

对式（4）—（8）进行比较，可以得出结论，在H桥数目相同时，不对称的级联型拓扑输出的电平数要大于对称的级联型拓扑，其输出的最大电压等级也要大于对称的级联型拓扑。

2 新型拓扑结构

文献[11]中提出的一种改进的多电平单元结构如下图所示，该单元结构由一个直流电源和两个开关器件组成。

图2 新型拓扑结构的基本单元及其典型输出波形

基本单元的级联图如图3所示，虽然该拓扑电路需要数目众多的直流电源，但是在一些系统中可以利用可再生的能源（如光伏发电、燃料电池）或者使用一些能量存储设备（如电容、蓄电池），避免了使用体积庞大的隔离变压器和整流器。文献[12]中提出了一种新的方法，该方法应用于级联型逆变器时，只需要第一个级联单元使用直流电源，下面n-1个可以使用储能电容，并且提出了一种适当的调制算法来保持电容电压的平衡，起到了很好的效果。

图3 基本单元的级联结构

表1 基本单元级联结构的输出电压vo及其相对应的开关状态

以上的拓扑结构只能输出正向电压，为了能够实现电压反向，在图3中的输出电压加了一个H桥单元，从而构成了图4中完整的级联型多电平逆变器拓扑。

图4 新型级联多电平逆变器的拓扑结构

表2 输出电压正负极性与H桥开关管开关状态之间的关系

3 新型拓扑电路工作原理分析

下面以二单元级联型拓扑电路为例来对新型拓扑电路进行分析。

在角度0～π区间内，H桥部分开关管t1和t2导通，t3和t4关断；π～2π区间内工作原理和 0～π区间内相同，只是此时t3和t4导通，t1和t2关断，电压和电流方向与图中所示方向相反。

在开关状态①内，开关S1,2和S2,2导通，此时电流经由 VD1，VD2，VD1,1和 VD2,1续流，此时电流方向与图中电流i的方向相反。

在开关状态②内，开关管S1,2和S2,1导通，此时电压V2接入电路，电流经由S2,1，VD1,2和开关管t1流经负载，后经由开关管t2流入电源V2的负极。此时电流和电压方向均与图中所示方向相同。

在开关状态③内，开关管S1,1和S2,1开通，此时电压V1和V2同时接入电路，电流经由S2,1，S1,1，t1开关管流入负载，后经由开关管t2流入电源负极。此时输出电压为V1+V2。电流和电压方向均与图中所示方向相同。

在开关状态④内，开关管S1,1和S2,2导通，此时电压V1接入电路，电流经由S1,1，t1流经负载，后经由开关管t2和续流二极管VD2,2流入电源V1的负极。此时电流和电压方向均与图中所示方向相同。

开关状态⑤，⑦，⑨和开关状态③的工作原理相同。开关状态⑥，⑩和开关状态②工作原理相同，开关状态⑧和开关状态④工作原理相同。

在开关状态[11]内，开关S1,2和S2,2导通，此时电流经由 VD3，VD4，VD1,1和 VD2,1续流，此时电流方向与图5（a）中电流i的方向相同。

图5 二基本单元的级联电路结构及PWM工作波形

4 新型拓扑结构与传统拓扑结构的比较

本文提出一种新型拓扑结构的目的就是减少级联型多电平逆变器中使用的电力电子器件，从而简化控制电路与保护电路，减少系统的体积。下面从以下几个方面来对新型拓扑与传统拓扑进行比较：

4.1 输出电平数相同时使用的器件数目

表3 输出电平数相同时使用的器件数目对比

其中n（n≥5）为输出的电平数，并且拓扑结构均采用对称的结构。从图5中我们可以看出在n=5时，新型拓扑与传统型拓扑在使用的器件数目上没有差别，但是随着电平数目的增加，新型拓扑电路的优势就显现了出来。

4.2 开关器件的开关损耗

从拓扑结构电路：图1和图4可以看出，传统性拓扑电路中各个开关器件的开关频率一样，而在新型拓扑结构中，其级联部分的开关器件的开关频率比其2H桥部分的开关频率要高得多。2H桥部分的开关器件在一个周期内，只需开关一次来对输出电压进行换向，其开关频率就可以选取较低开关频率的开关器件，从而可以降低开关损耗及系统造价。功率损耗仿真模型如图6所示，图7是功率仿真结果，波形与坐标轴所围的面积就是开关管的功率损耗。根据仿真部分的仿真结果，可以得到不同部分IGBT的功率损耗曲线。

图6 开关数目与电平数目的关系曲线

图7 功率损耗仿真模型

图8 功率损耗仿真

5 仿真研究

多电平逆变器有很多调制策略，根据拓扑结构的不同，调制策略的选取也不一样。考虑到载波移相 PWM运用于级联型多电平逆变器的优势，本文选取载波移相 PWM调制策略来对提出的新型拓扑结构进行仿真分析与验证。在仿真软件包 Matlab/Simulink平台上搭建了新型拓扑结构的七电平模型并进行了实验仿真。仿真模型采用三个基本单元级联的形式。SPWM调制方法采用单极性调制，仿真具体参数：Vdc=100V，R=10Ω，L=0.01H，载波比：fc/fr，fr=50Hz，调制度m=0.9。设置仿真时间为 0.04s，仿真结果如图9、图10所示。

图9 仿真实验主电路与结果

图10 输出电压vo的频谱图

仿真分析：从仿真结果可以看出，对于新型级联型拓扑结构，采用载波移相的 PWM控制，输出电压电能质量较高，电压谐波总畸变率仅为THD=0.94%。

6 结论

本文介绍了一种新型的级联型多电平逆变器拓扑。该拓扑结构与传统级联型多电平逆变器相比，在输出电平数相同的条件下，需要的电力电子开关数目少于传统型拓扑结构，简化了逆变器的主电路、保护电路与控制电路，降低了开关损耗，减少了系统的造价与占地面积。文章最后对该拓扑结构的PWM调制策略进行了研究，建立了仿真模型，仿真结果证实了电路结构与调制策略的正确性与优越性。

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