基于开关电容的单相九电平升压逆变器

周晓娟，台畅，马丽丽

（1.河南机电职业学院，河南 新郑 451191；2.国网安阳供电公司，河南 安阳 455000）

0 引言

多电平逆变器（Multi-level Inverter，MLI）因具有低电压上升率[1]、低电压谐波[2]和改善的输出波形质量等特点，已在中、高功率可再生能源中广泛使用[3]。但传统MLI普遍存在复杂度高、成本高和效率低等问题。因此，设计具有低开关冗余度和低成本的MLI成为了研究的重点。

目前，为实现9电平电压输出，MLI基于对称H桥均需要4个电源和8个开关管或2个直流源和12个开关管。此外，MLI基于非对称级联H桥不适用于隔离的直流源[3]。开关电容（Switched Capacitor，SC）单元因其结构简单、易控制而广泛用于MLI。SC单元技术使用串、并联电容网络[4]～[6]。文献[7]提出一种基于SC单元的升压拓扑，具备灵活且易于扩展的特点。但是，该结构存在H桥模块使得优势被削减。文献[8]，[9]介绍了一簇7电平逆变器拓扑结构，该拓扑具有较低的电压增益，其中，文献[8]需要4个电容，文献[9]需要12个开关管且无升压能力。为减少开关器件数量，文献[10]，[11]提出一簇基于SC级联的MLI。上述方案虽通过多单元级联和整合使得功率器件有所减少，但仍存后端H桥结构、较高的电压应力和高的电流谐波因数（THD）。文献[12]～[14]提出基于SC的9L-MLI，大量存在的开关器件使其效率提升受限。文献[15]，[16]虽在功率器件数量上得到优化，但并无升压能力，应用范围受限。为解决传统MLI存在无升压能力的问题，准Z源为常用的技术之一[17]。文献[18]中所提拓扑利用变压器实现高的电压增益，但均增加了逆变器的重量和尺寸。

本文提出了一种新型9阶开关电容升压式多电平变逆变器（9L-SC-BMLI）拓扑，并具备以下特点：单直流电压源；仅12个功率器件，产生9个电压状态；两倍电压增益；SC的电压自均衡；输出电压的双极性；降低开关元件的额定电压。

1 9 L-SC-BMLI拓扑

（1）9L-SC-BMLI拓扑的基本单元

图1为9L-SC-BMLI拓扑的基本单元，该升压逆变器由10个开关管、1个电容和2个二极管组成。电容用于获得两倍的电压增益。9L-SCBMLI可以实现0，±0.5Vin，±Vin，±1.5Vin和±2Vin共9种电平。同时，9L-SC-BMLI直流母线电容为其相同情况下输入电压的一半，输出阶梯电压为±0.5Vin和±1.5Vin。电容单独在半周期内对称地向负载提供能量，实现了电容电压自均衡的目的。表1给出了不同输出电压等级下各开关的状态。

图1 9L-SC-BMLI拓扑Fig.1 9L-SC-BMLI topology

表1 9L-SC-BMLI开关状态Table 1 Switching states of 9L-SC-BMLI

（2）N电平拓扑

图2为所提N电平升压逆变器拓扑。图2（a）为变换器的基本单元，即SC单元由2个开关管、2个二极管和1个电容组成。为了获得更高的输出电压和电压增益，通过增加更多数量的SC单元作为基本单元。所提逆变器拥有较强的拓展性[图2（b）]，其电路参数由式（1）可得。

图2 9L-SC-BMLI的N电平结构Fig.2 N-level structure of 9L-SC-BMLI

式中：Nsw，Ngd，Nd，NC和VG分别为开关、栅极驱动器、二极管、电容器和电压增益；N为增益。

在SC逆变器中，电容向负载放电的同时产生电压纹波。为减少输出电压波形的失真，需要选择合适的电容值，使电容电压纹波在合理的范围内波动。为了简化分析，假设逆变器输出电压u0和输出电流i0为纯正弦波。

式中：AC为三角载波的幅值；AR为调制波的幅值。

在此区间内，输出电压在+2Vdc和+3Vdc快速交替输出。根据正弦波脉宽调制（Sinusoidal PWM，SPWM）面积等效原理，C1的放电量为

式中：R为负载阻抗；M为载波调制比。

类似地，根据电容C1和C2的对称性，C2与C1具有相同的纹波参数。

2 比较分析

为了介绍9L-SC-BMLI拓扑的特性，本文将9L-SC-BMLI与其他MLI在电平数、开关元件数量、电容数量、器件电压应力等方面进行比较，同时总结额定功率下的电路参数、电压增益以及升压能力。

表2为不同拓扑的对比结果。表中包含高压应用中的重要参数，例如拓扑的最大开关电压应力TSV和最大阻断电压MBV。文献[10]，[12]提出的拓扑均满足9阶梯电平的输出，其中文献[12]的拓扑具有低电压应力，却无升压能力。与文献[8]，[10]，[12]中拓扑相比，9L-SC-BMLI的开关管数量更少。文献[9]的开关管数量较少，可以产生7电平电压，但需要1个额外的功率二极管，仅有1.5倍的电压增益。相比而言，9L-SC-BMLI的电压增益高于其他拓扑。文献[8]中的拓扑虽具有两倍的电压增益，但它后端并联H桥，且存在两个直流电源。在可靠性方面，电容是一个重要的参考因素，所提出的9L逆变器的电容器数量少于文献[6]，[8]。文献[10]仅需要两个电容器，但它仍存在大量冗余的二极管和开关管。

表2 不同拓扑的比较Table 2 Comparison of different topologies

电路中总阻断电压值MBVpu和电路总耐压值TSVpu计算式分别为

由表2还可以看出：9L-SC-BMLI的MBVpu明显小于其他拓扑，虽然文献[8]具有较低的MBVpu，但有低电压增益，不具备升压能力；9L-SC-BMLI的TSVpu低于文献[6]，[9]，电压增益也高于其他拓扑。从元件数量、电压增益和TSVpu的角度来分析,本文提出的9L-SC-BMLI比其他拓扑更具优势。

3 9 L-SC-BMLI的实验结果

（1）仿真结果

为验证9L-SC-BMLI的有效性，首先基于MATLAB平台进行仿真验证，选取输入电压为100 V。根据不同开关元件的脉冲，采用移相脉宽调制（PD-PWM）方法，基频和载波频率分别为50 Hz和5 kHz。仿真结果见图3，图中Z为总阻抗。

图3 仿真结果Fig.3 Simulation results

由图3（a）可知，浮动电容的纹波电压率均小于10%，且输出电流近似为正弦波。由图3（b）可以看出，输出电压仍保持为9阶梯电平，此时电容CF电压也从100 V上升到200 V。

（2）实验结果

基于仿真参数搭建了实验样机，对9L-SCBMLI拓扑负载两端电压和电流的实验波形进行分析，结果如图4所示。图4（a）为输入电压为100 V，直流母线电容和浮动电容的额定值分别为450 V/2 200μF，载波频率为5 kHz时的输出电压波形。可以看出，输出电压峰值为200 V，并且有9个阶梯电平。当输入100 V电压进行供应时，第4级电平是输出电压的峰值电平，此时输出电压为200 V，电压阶跃为50 V。200 V的峰值电压证实了所提出的拓扑可以输出两倍电压增益。图4（b）为负载为30Ω+100 mH时，CF的电压、输出电压和负载电流的实验波形。该条件下，负载电流的峰值为4.9 A，CF两端电压实现了自均衡。图4（c）为所提9L-SC-BMLI动态调节过程，即调制指数（MI）从1.0变为0.2时，输出电平阶梯情况，其中MI为正弦参考信号峰值与载波信号的幅度比。随着MI的减少，电平数从0.2级别变化为3，减少的电平引起负载电压降低。此外，图4（d）给出了当负载类型从阻-感性负载（RL）变为阻性负载（R）时，浮动电容电压、负载电压和电流的波形。其中，负载是30Ω的电阻和100 mH的电感组合；若干周期后，负载变为30Ω的阻性负载，输出电压阶梯一直保持平稳的9电平。通过上述实验结果，验证了9L-SC-BMLI拓扑的可行性。

图4 实验结果Fig.4 Experimental results

图5为输出电流基波和各次谐波与IEEE标准的对比谱。由图5可知，所提变换器拓扑的输出电流谐波均满足IEEE 1547-2018的标准。此时输出电流总的谐波含量THD的测试结果为2.31%。

图5 输出电流谐波Fig.5 Output current harmonics

4 结论

本文提出了一种新型9L-SC-BMLI拓扑结构。基于开关电容单元的级联和整合，实现电路的升压特性，达到了两倍的电压增益，并且电路具有电容电压自平衡能力。根据器件数量、电压增益和不同的电压应力的比较分析，9L-SC-BMLI相比于其他拓扑更具优势。最后通过仿真和实验结果，证明了该逆变器拓扑的可行性和正确性。