基于不对称结构的级联五开关多电平逆变器

胡文华， 章超凡

（华东交通大学电气与自动化工程学院，南昌330013）

0 引 言

在中压大功率传动领域，级联多电平逆变器由于其功率等级高、输出波形质量好、电压变化率du／dt小、易于实现模块化设计制造等优点而广泛应用［1-6］。目前传统的级联多电平逆变器中级联H桥逆变器应用较多［7-9］。但在输出电平数增多时，级联单元数量也在相应增加，导致产生开关管数量急剧增加的问题。文献［10-13］中提出一种在H桥的基础上只增加一个辅助开关管却能够输出5电平的拓扑结构，与传统H桥逆变器相比减少了2个高频开关器件，简化了电路结构，减小了开关损耗。文献［14-16］中提出了在单相H桥的基础上增加一个直流源得以输出不对称的4电平，两单元级联后可对称输出9电平的逆变器拓扑，减少了开关管的数量，降低了成本。但这两种拓扑结构在为获得更高电平数时只能提高级联单元数量，从而产生开关器件增多、可靠性降低以及系统控制复杂等问题。

本文综合了以上两种拓扑的优缺点，提出了一种基于不对称结构的级联五开关多电平逆变器（ACFSMC），该逆变器由2个不对称6电平逆变器反向级联而成，可以输出15电平，并给出了相应的调制方法。该方法以期望输出波形为目标，对载波层叠后的PWM脉冲信号按照一定的规律进行与或非等处理得到各开关管的驱动信号，从而实现对逆变器的控制。最后通过MATLAB2016／Simulink进行仿真实验来验证理论分析的正确性。

1 拓扑结构

本文所提出的ACFSMC拓扑结构如图1所示，其由2个非对称6电平逆变器反向级联而成，图2是其级联单元模块。它在传统的五开关H桥电路基础上增加了一个直流电源，使得每个半桥桥臂的直流母线电压不同，分别为3E和4E。其中右边半桥开关管S1、S2开关状态互补，工作在基频状态，左边半桥S3、S4、S5工作在高频状态。以直流电压源负端为参考点，输出电压uo有4E、3E、E、0、－E、－3E 6种电平。对应的开关状态如表1所示。

图1 不对称级联五开关多电平逆变器拓扑结构

表1 不对称五开关六电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系

可以看出，单元模块的输出电压电平不对称，为了使级联后输出电压电平对称，故采用两单元反向级联的连接方式。由表1可知，uao可以输出4E、3E、E、0、－E 和－3E 6种电平；同样uob可以输出3E、E、0、－E、－3E和－4E 6种电平。由uab＝uao＋uob可知，uab可输出±7E、±6E、±5E、±4E、±3E、±2E、±E、0共15个电平。

通过以上分析，当同样输出15电平时，ACFSMC只需要10个开关器件和6个直流电源。而传统的级联H桥多电平逆变器则需要28个开关器件和7个直流电源。所以该拓扑具有所需元器件少和系统控制相对简单的特点，若将其应用在三相系统时，这种优点会更加突出。

2 调制策略

图2 级联单元拓扑结构

2.1 工作原理

图3 为ACFSMC的调制方法，将14层载波按图3所示依次排列在X轴的上下半区，然后将uref与其进行比较，得到14个PWM脉冲信号。然后对这14个PWM脉冲信号按照一定的规律进行逻辑组合以得到期望的输出波形。正半周状态下，当uref＞c7时，使输出电平为7E；当c6＜uref＜c7时，使输出电平为6E；当c5＜uref＜c6时，使输出电平为5E；当c4＜uref＜c5时，使输出电平为4E；当c3＜uref＜c4时，使输出电平为3E；当c2＜uref＜c3时，使输出电平为2E；当c1＜uref＜c2时，使输出电平为E；当0＜uref＜c1时，使输出电平为0。负半周状态依此类推。输出15电平的调制过程见表2。

2.2 开关状态组合的确定

表2给出了输出电压的合成方法，但其对应的具体开关状态不是唯一的。每个子模块中只有右半桥臂的两个开关管状态是互补的，左半桥臂和辅助管的开关状态组合有6种，所以单个模块的开关状态有12种，两单元反向级联共有144种开关状态，对应输出的15种电平。

图3 级联逆变器的调制原理

表3给出了每种输出电平对应的开关状态种类。当输出电压为±4E和±3E时，开关状态均有3×3种。当输出电压为±2E时，开关状态有2×2种。所以输出15种不同电平所有可能的开关状态有2 916种，所以有必要对开关状态进行合理的组合以达到最理想的效果。

这里约定以下组合原则：①当输出电平跳变到相邻电平时，应尽量保持开关管的开关状态不变，旨在减少开关损耗。②避免出现单元1和单元2的输出电压出现极性相反的情况，这样可以有效地避免出现电流倒灌问题。

2.3 驱动信号的实现

由图3所示。将正弦调制信号uref分别与14个正负反向层叠的三角载波相比较，得到14个逻辑脉冲信号A～G、A′～G′。将这14个逻辑信号按照2.2节提出的减少开关损耗和电流倒灌的原则进行逻辑组合可以得到开关管的驱动信号，其数学逻辑表达式为：

表2 多层载波调制15电平组合输出电压

表3 输出电平和相应的开关状态种类

3 仿真分析

为验证本文所提的基于不对称结构的级联五开关多电平逆变器拓扑及调制策略的正确性，在MATLAB2016／Simulink上进行了仿真验证。设置仿真参数如下：直流电压源E＝50 V，调制比ma＝0.97，载波频率fc＝10 kHz，基波频率f0＝50 Hz，则频率调制因数为mf＝fc／f0＝200。

图4给出了ACFSMC型逆变器的仿真结果。图4（a）和图4（b）分别为两个级联单元的输出电压波形，图4（c）为ACFSMC逆变器的输出电压波形。可以看出单元一和单元二的输出电压叠加后可以得到逆变器的输出电压，输出电压为15电平，与前面的理论分析一致。图4（d）为逆变器输出电压的频谱分析。

图4 15电平逆变器仿真结果

可以看出，逆变器输出电压基本不含低次谐波，所含高次谐波主要集中在以载波比mf为中心的边带附近处，其次数为mf±k（k为奇数）。当调制比ma＝0.97时，滤波前的输出电压THD值为8.37%。可见，逆变器的输出电压为质量较好的正弦波。

图5给出了在载波比mf＝200，调制比ma不同的情况下，输出电压的总谐波失真度（THD）的变化趋势。由图可见，当ma＝0.1时，THD 为90.82%；当ma＝1时，THD为7.71%。随着调制比ma的增加，逆变器输出电压的THD逐渐减小。

图5 不同调制比下的输出电压THD值

4 结 语

本文提出了一种基于不对称结构的级联五开关多电平逆变器。该逆变器由两个不对称的五开关6电平逆变器反向级联而成，输出电压波形可以达到15电平。在得到相同输出电平的情况下，比传统级联H桥多电平逆变器减少了1个直流电源，18个开关器件。简化了电路结构，降低了系统控制的复杂性。基于载波层叠调制方法，对PWM脉冲信号进行逻辑组合实现了对逆变器无电流倒灌控制。最后在MATLAB／Simulink仿真平台上验证了该拓扑及其控制方法的正确性及有效性。