多電平逆變器及其原理概論

1、多電平逆變器及其原理概論 姓名：張慶杰 學(xué)號班級：13級應(yīng)電3班摘要:對多電平逆變器的基本原理和多電平逆變器的各種拓?fù)溥M(jìn)行了分析， 同時指出了各類拓?fù)涞膬?yōu)缺 點。 分析了已有多電平逆變器不同的載波 PWM 控制方法，重點研究了多載波 PWM 控制方法，并以二極管鉗位式五電平逆變器為例進(jìn)行了仿真研究。 同時采用了三次諧波注入法，對輸出波形的諧波進(jìn)行改善。關(guān)鍵詞：三次諧波;二極管鉗位；多電平逆變器 ；調(diào)制技術(shù)引言20 世紀(jì) 50 年代電力電子技術(shù)誕生以來 ， 經(jīng)過幾 十年的飛速發(fā)展，至今已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電機調(diào)速等需要電能變換的領(lǐng)域。日本學(xué)者南波江章（A.Naba）

2、于1980 年提出三電平中點鉗位逆變器以來，引起人們的 普遍關(guān)注。由于在節(jié)能、可靠性和性能指標(biāo)等方面的巨大 優(yōu)勢 ,使得它越來越多地被人們所采用。經(jīng)過近 30 年的 研發(fā)，很多學(xué)者相繼提出了具有實際意義的多電平逆變 器電路及多種多電平逆變器的調(diào)制控制方法。當(dāng)前的多電平逆變器的主要結(jié)構(gòu)有： H 橋級聯(lián)式 （Cascaded H-bridge）、電容箝位式 （Capacitor-Clamped）、二極管箝位式（Diode-Clamped）、 飛跨電容嵌位式 （Flying -Capacitors）。為了更好地利用這項技術(shù)，許多研究人員提出了一些改進(jìn)：在拓?fù)涞难芯糠矫妫倪M(jìn)的主要方向是減少器件使用

3、數(shù)量，并解決電容電壓的不平衡等問題 ;在控制方面，改進(jìn)的主要方向是優(yōu)化輸出波形和算法等。1 多電平逆變器種類及優(yōu)缺點分析1.1 二極管箝位式多電平逆變器及其優(yōu)缺點二極管鉗位式多電平逆變器是研究最早和應(yīng)用最多的一種多電平逆變器。二極管鉗位式多電平逆變器是通 過串連的一系列電容將較高電壓分成一系列較低的電 壓。 一個 M 電平的二極管鉗位多電平逆變器在直流側(cè)需 要 M-1 個電容。例如一個三相五電平二極管鉗位式逆變 器的一相，在其直流側(cè)含有 4 個大小相同的電容 C1,C2，C3 和 C4。 若直流側(cè)的總電壓為 1V，那么每個電容上分得的 電壓為 V/4，并且通過鉗位二極管的作用，每個開關(guān)器件 上

4、的電壓應(yīng)就限制在一個電容的電壓 V/4 上， 這樣逆變器合成的輸出電壓就可以相對地提高了。 二極管鉗位多電平逆變器只需要一個公共的直流電源， 這使它的整流 側(cè)設(shè)計比較簡單。雖然開關(guān)器件被鉗位在 V/4 電壓上， 但是鉗位二極 管卻要承受不同倍數(shù)的 V/4 反向電壓。 如果使二極管的 反向電壓與開關(guān)器件相同， 則每相需要的鉗位二極管的 個數(shù)為 (M-1)(M-2)。 這個數(shù)字隨電平數(shù)的增加而快速增 加，尤其是當(dāng)器件是工作在高頻狀態(tài)，鉗位二極管由于開 關(guān)速度的限制，只能用 IGBT 或其它開關(guān)頻率高的器件代 替，這將增加成本，同時系統(tǒng)的可靠性也被削弱。 因此，這種電路的實際應(yīng)用中輸出電平數(shù)不可能很

5、高， 一般被限制在五電平。比較分析， 我們可以得到二極管鉗位型多電平逆變 器優(yōu)缺點如下。優(yōu)點：(1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量 越少，從而避免了濾波器的使用；(2)調(diào)制時，器件在基頻 下工作，開關(guān)損耗較小，效率高；(3)back-to-back 連接系 統(tǒng)控制比較簡單。缺點：(1)需要大量的鉗位二極管；(2)每個橋臂主開關(guān)器件的開關(guān)損耗都不同， 需要的電流容量 也不相等；(3)直流分壓電容的電壓不平衡。1.2 電容箝位式多電平逆變器及其優(yōu)缺點電容鉗位式多電平逆變器也叫做飛跨電容鉗位式多 電平逆變器，它是由法國學(xué)者 T·A·Maynard 和 H·Foch 在 1

6、992 年提出。飛跨電容代替二極管對功率開關(guān)進(jìn)行鉗位 ， 因此就不存在二極管鉗位型多電平逆變器中的主、 從功 率開關(guān)管的阻斷電壓不平衡和鉗位二極管反相電壓不能 快速恢復(fù)的問題。 例如一個三相五電平電容鉗位型多電 平逆變器的一相。 此逆變器的直流側(cè)采用了一種階梯型 結(jié)構(gòu)， 每一層的電容的電壓都與下一層的電容的電壓不 同。 為能夠產(chǎn)生 M 電平的階梯型輸出電壓，在直流側(cè)需要 M-1 個電容。 每相橋臂的結(jié)構(gòu)必須相同，兩層電容之 間電壓增加的大小決定輸出波形中每階比較分析， 可以得到電容鉗位式多電平逆變器優(yōu)缺 點如下。 優(yōu)點：(1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波的含量越少；(2)逆變器電平數(shù)易擴展,電壓合

7、成方面 ，開關(guān)狀態(tài)選擇具 有較大的靈活性；(3)由于電容的引進(jìn)，可通過在同一個電 平上不同開關(guān)組合，使直流側(cè)電容電壓保持平衡。 缺點：(1)隨著電平數(shù)的增加 ，需要大量的鉗位電容 ，增加了系統(tǒng) 的成本；(2)用于純無功負(fù)載時，可能存在飛跨電容電壓不平衡；(3) 對有功功率變換，高頻時逆變器的控制非常復(fù) 雜，同時有很高的開關(guān)損耗。1.3H 橋級聯(lián)式多電平逆變器及其優(yōu)缺點二 極管鉗位式和電容鉗位式多電平拓?fù)涞奶岢觯瑸槔玫湍蛪盒烷_關(guān)器件獲得多電平高壓輸出提供了新思路，但同時也帶來直流電容分壓不平衡等一系列問題，控制也十分復(fù)雜。為此可采用多個獨立的直流電容分壓，輸出多個電平的方式，即有獨立直流電源的

8、級聯(lián)式逆變器?；趥鹘y(tǒng)的二電平低壓小容量橋式逆變器的級聯(lián)多電平 逆變器，采用串聯(lián)若干個低壓功率單元的方式來實現(xiàn)高電壓輸出，這種電路的結(jié)構(gòu)和方法比較容易實現(xiàn)向更多 電平數(shù)的擴展，產(chǎn)生更高電壓的輸出。例如級聯(lián)式五電平 逆變器拓?fù)鋯伪垭娐?，是由兩個兩電平 H 橋單元級聯(lián)而成。與二極管鉗位式和飛跨電容式多電平逆變器相比較， 級聯(lián)式多電平逆變器拓?fù)洳恍枰罅裤Q位二極管和飛跨 電容，但是需要多個獨立的直流電壓源。對于一個M電平的級聯(lián)型逆變器，每一個橋臂需要(M-1)/2 個獨立直流 電壓源和 2(M-1)個主開關(guān)器件。 這種拓?fù)淇梢苑奖愕赝?過星形或三角形聯(lián)接構(gòu)成三相系統(tǒng)。比較分析，可以得到級聯(lián)式多電平逆

9、變器優(yōu)缺點如下。優(yōu)點：(1)無需大量鉗位二極管和鉗位電容，在三種多電平變換拓?fù)渲?，對于相同的電平?shù)，所需器件最少，易于封裝；(2)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波的含量越少；(3)基于低壓小容量逆變器器級聯(lián)的組成方式，技術(shù)成熟，易于 模塊化， 較適于七或九電平及更高的電平應(yīng)用場合。 缺點：隨著電平數(shù)的增加，需要大量獨立直流電源，增加了 系統(tǒng)的成本。2多電平逆變器脈寬調(diào)制技術(shù)多電平逆變器脈寬調(diào)制技術(shù)是指用半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一系列的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)多電平逆變器的變壓、變頻，并控制和消除諧波的 電子技術(shù)。多電平逆變器 PWM 技術(shù)主要對兩方面目標(biāo)進(jìn) 行控制:一為輸出電壓的控制，即逆

10、變器輸出脈沖序列在伏秒級別上與參考波形等效; 二為逆變器本身運行狀態(tài) 控制，包括直流電容電壓的平衡控制、所有功率開關(guān)的輸 出功率平衡控制、輸出諧波控制、器件開關(guān)損耗控制等。多電平逆變器的 PWM 控制方法主要有三大類:載波調(diào)制法、特定諧波消除法和空間電壓矢量調(diào)制法。2.1 多電平載波 PWM 調(diào)制多電平變換器載波 PWM 控制方法，是兩電平的載波PWM 技術(shù)在多電平中直接推廣應(yīng)用。 不同于兩電平逆變 器的是，多電平逆變器有多個載波，在生成多電平 PWM脈沖時有兩種基本方法:第一種，首先多個幅值相同的三 角載波疊加，然后與同一個調(diào)制波比較，得到多電平PWM 脈沖 ，即載波移位法 ，這種方法多用于

11、二極管鉗位 式多電平逆變器的控制，對其它類型的多電平逆變器結(jié)構(gòu)也適用;第二種，用多個幅值相同、相位不同的三角載 波與調(diào)制波進(jìn)行比較， 生成 PWM 脈沖分別控制各逆變橋，然后再疊加產(chǎn)生多電平PWM波形，稱為載波移相法，一般用于 H 橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容鉗位逆變器。載波移位法:對于M 電平逆變器，采用 M-1 個幅值 相同、頻率相同的三角波為載波，上下連續(xù)層疊，與一個調(diào)制波進(jìn)行比較，在采樣時刻根據(jù)調(diào)制波與每個三角波 的比較結(jié)果輸出不同的電平，并決定相應(yīng)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。這類方法可直接應(yīng)用在二極管鉗位式多電平逆變 器的控制。 根據(jù)三角載波間相位間排列順序不同，又可分為三種不同的多電平載波PWM方法:同

12、相層疊法（IPD）、正負(fù)反相層疊法（POD）和交替反相層疊法（APOD)。載波移相法: 多電平載波移相法是對于一個 M 電平 的逆變器，M-1 個幅值相同、相位不同的三角載波與調(diào)制 波進(jìn)行比較，產(chǎn)生相對獨立的 M-1 組 PWM 調(diào)制信號，去驅(qū)動 M-1 個開關(guān)管單元，每一個單元控制就是一個兩電平單元的PWM 控制，各單元的輸出電壓再疊加生成一個等效的多電平 PWM 波形。假設(shè)載波的周期為T且對應(yīng)360°相角 ，則各個載波須依次移相 360°/(M-1)，然后分別 再與調(diào)制波進(jìn)行比較。載波移相法的基本原理和載波移位法的交替反相層疊的方式非常相似。同時，多電平載波PWM法還需

13、要實現(xiàn)其它性能指標(biāo) 和控制目標(biāo)，如平衡電容電壓、輸出諧波的優(yōu)化、提高電 壓利用率、開關(guān)功率平衡等。 解決的主要途徑有以下三方 面:第一是在多個載波排列上想辦法，即可以改變?nèi)禽d 波間的相位關(guān)系，如各載波的交替反相、相位相同、正負(fù) 反相及載波移相; 第二是在調(diào)制波上加入相應(yīng)零序分量;第三是對于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如H橋級聯(lián)的結(jié)構(gòu)、電容鉗位的結(jié)構(gòu)以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)等， 當(dāng)橋臂上輸出相同電壓時，可以利用多個不同的開關(guān)狀態(tài)的組合對應(yīng)，這些不同開關(guān)狀態(tài)組合對一些性能指標(biāo)有不同的影響，選擇合適的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行組合就可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。2.2特定諧波消除法定諧波消除法(SHEPWM)是以優(yōu)化輸出諧波為目的的PWM

14、方法。和兩電平的特定諧波消除法相類似，三電平SHEPWM同樣也是通過在預(yù)先確定的采樣時刻實 現(xiàn)特定開關(guān)的切換，產(chǎn)生預(yù)期的最優(yōu)SPWM控制，以消除 選定的低頻諧波。這種方法是基于傅里葉級數(shù)分解，通過計算得到開關(guān)時刻的一種 PWM 方法。使逆變器輸出電壓中不存在某些特定諧波。 其基本思想是:因為各次諧波的幅值是轉(zhuǎn)換角 的函數(shù)，如果想要消除(N-1)次諧波，則可以利用對應(yīng)的基波和諧波幅值表達(dá)SHEPWM 具有以下顯著優(yōu)點 ：(1) 波形質(zhì)量顯著改善，減小直流側(cè)電流紋波，可以減小直流側(cè)濾波器的尺寸（2）在同樣波形質(zhì)量的情況下，采用 SHEPWM 可以得到所需最低的開關(guān)頻率，從而大幅降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)

15、 換的效率。SHEPWM 方法的缺點在于必須求解一組困難的非線性超越方程組。2.3 空間電壓矢量 PWM空間電壓矢量SVPWM法是從電動機的角度出發(fā)， 以三相對稱正弦交流電機的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)組合所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，再由比較的結(jié)果去決定逆變器的開關(guān)形成PWM波形。由于該方法把逆變器和電機看成一個整體來處理，十分便于微機實時控制，并具有噪音低、轉(zhuǎn)矩脈動小、電壓 利用率高等優(yōu)點，因此現(xiàn)在無論在開環(huán)控制系統(tǒng)或閉環(huán) 控制系統(tǒng)中均得到了廣泛應(yīng)用。但隨著電平數(shù)逐漸增加，可選擇的多電平空間矢量 也有很多，同時逆變器的運行控制目標(biāo)也隨著增多。因此，基于空間電壓矢量控制的多電平

16、逆變器輸出一般不會超過五電平。3 多電平逆變器基本原理3.1基本逆變電路圖 1(a)所示為單相橋式逆變電路的原理示意圖 。 當(dāng) 開關(guān) S1、S4 閉合，S2、S3 斷開時，負(fù)載電壓 uo 為正；當(dāng)開關(guān) S1、S4 斷開 ，S2、S3 閉合時，uo 為負(fù) ，如此交替進(jìn)行下去 ，就 在負(fù)載上得到了由直流電變換的交流電的波形，如圖 1(b)所示。 輸出交流電的頻率與兩組開關(guān)的切換頻率成正 比。這樣就實現(xiàn)了直流電到交流電的逆變。當(dāng)負(fù)載 Z 為純電阻性負(fù)載時，負(fù)載電流 io 和電壓 uo的波形和相位完全相同。 當(dāng)負(fù)載為阻感性負(fù)載時，由于電 感的作用，io 相位滯后于 uo，其相位關(guān)系和 io 的波形如圖

17、 2-1（b）所示 。 設(shè) t1 時刻之前S1、S4 導(dǎo)通 ，uo 和 io 均為正。在 t1 時刻斷開 S1、S4，同時合上 S2、S3，則 uo 的極性立刻變 為負(fù)。但是，因為負(fù)載中電感的作用，其電流的變化滯后 于電壓的變化，電流方向不變而仍維持原有方向繼續(xù)流通。這時負(fù)載電流由負(fù)載右端流出，經(jīng) S3 流入直流電源 正極、由負(fù)極流出，再經(jīng)S2流回負(fù)載左端。實質(zhì)是將負(fù)載 電感中儲存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流因得不到 能量補充而逐漸減小，到 t2 時刻電感中的能量全部釋放 完畢、電流下降為零，之后在電源電壓的作用下 io 反向并 逐漸增大。到 t3 時刻，S2、S2 斷開，S1、S4 閉合，

18、以后的情況 與前述類似。結(jié)果，在負(fù)載上就得到了正、負(fù)交替變化的 電壓和電流，實現(xiàn)了直流電到交流電的逆變。3.2二極管鉗位多電平逆變器拓?fù)浞治?.2.1二極管鉗位多電平逆變器拓?fù)浠驹硪詧D 2 為例說明多電平逆變器的原理。 圖中4個同樣大小的電容 C1、C2、C3 和 C4 串聯(lián)組成直流電壓分壓電路，分壓電容 C1、C2、C3 和 C4 的中點與負(fù)載的一端相連，可作為共地端，于是電源電壓為 Ud,時，C1、C2、C3 和 C4 各 點對地的電壓分別為 Ud/2、+Ud/4、-Ud/4、Ud-/2。 當(dāng)與負(fù)載 相連的 5 個電子開關(guān) S1S5 中的任意一個閉合導(dǎo)通時(在任何時刻只能有一個導(dǎo)通)，

19、則負(fù)載上就可得到上述 5種不同的電壓值。其電壓的絕對值有三級(0、/4、/2)。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是功率二極管鉗位得到的中點電平，因此有人又稱這種結(jié)構(gòu)為中點鉗位式結(jié)構(gòu)。鉗位二極管的作用是在開關(guān)管導(dǎo)通時提供電流通道而又防止電容 短路。3.2.2電平二極管鉗位拓?fù)淙娖蕉O管鉗位逆變器(圖3)是多電平逆變器中既簡單又有實用意義的一種電路。它屬于電壓型逆變器。所謂三電平是指逆變器交流側(cè)的每相輸出的電壓相對于直流側(cè) 電壓有三種可能的取值,即正電壓、負(fù)電壓和零電位。三電平主電路的基本原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示,可知每一橋臂有四個開關(guān)管 , 此處的功率器件使用的是可 以讓能量雙向流動的 IGBT 器件。其

20、中直接連到正負(fù)直流側(cè)上的兩個開關(guān)管稱為主開關(guān)管, 中間兩個開關(guān)管稱為輔助開關(guān)管。直流側(cè)的電容器是由兩個電容值一樣的電容串聯(lián)組成 ,這樣就可以提供一個中性點,連接到中性點 上的兩個二極管,稱之為鉗位二極管，它可以把逆變器的電壓箝位到中性點電位上, 因此該逆變器也稱為中性點鉗位式逆變器。在每一個時刻 ,逆變器都必須有兩個開關(guān)管導(dǎo)通。以A相為例 ,可能的開關(guān)管組合順序分別是 VT1 和 VT2,VT2 VT3,VT3 和 VT4,其余任何組合都是不允許的。這3 種情 況對應(yīng)的電壓,分別是+Vd/2、0 和Vd/2。 這 3 種狀態(tài)可分別用 P(Positive)、0 和 N (Negative) 來

21、表示 在換相過程中 直接由P到N是不允許的， 因為這需要四個開關(guān)管同時 動作。 另外,上面的四個開關(guān)管還具有一種邏輯上的互鎖 關(guān)系，即 VT1 和的觸發(fā)脈沖相反,和的觸發(fā)脈沖也相反。 所以控制系統(tǒng)只要能夠產(chǎn)生 VT1 和 VT3 的觸發(fā)脈沖信號,其余兩個開關(guān)管的觸發(fā)脈沖就可以通過相應(yīng)的互鎖關(guān)系 而得到。3.2.3五電平二極管鉗位拓?fù)浒焉厦娣治龅玫降亩O管鉗位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴展到五電平中去 , 可得到五電平的其一相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（圖4）。圖4所示五電平逆變器每一相主開關(guān)器件數(shù)與續(xù)流二極管數(shù)都為八 ,鉗位二極管數(shù)為六，平均每個主管承受正電壓為 U/4。現(xiàn)以五電平二極管鉗位一相為例，分析圖 4

22、所示五電平逆變器主電路工作情況： 給管VT1、VT2、VT3、VT4 導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時 ，如負(fù)載電流為流入方 向（相對于負(fù)載），則點電流流過主管 VT1、VT2、VT3、VT4 忽略管壓降 ,該相輸出端電位等同于 P1 點電位;如負(fù)載電 流為流出方向，電流流過續(xù)流二極管 D1、D2、D3、D4 注入點 P1，該相輸出端電位仍等同于 P1 點電位。同理，給 VT2、VT3、VT4、VT5 導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時，輸出端電位等同于點電位；給 VT3、VT4、VT5、VT6、VT7 導(dǎo)通觸發(fā)脈 沖時，輸出端電位等同于 N2 點電位；給 VT4、VT5、VT6、VT7 導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時，輸出端電位等同于 N2 點

23、電位；給 VT5、VT6、VT7、VT8 導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時， 輸出端電位等同于 N1 點電位。由上面分析可以得出,對主開關(guān)器件控制脈沖是有 嚴(yán)格要求的,以防止同一橋臂貫穿短路,即 VT1 與 VT5，VT2與 VT6，VT3 與 VT7，VT4 與 VT7，VT4 與 VT8 的控制脈沖都 要求是互反的，并且可以得到一相電位在由 P2 點電位跳 到零電位時,要經(jīng)過電位的過渡.即在控制過程中,每相電 位只能向相鄰電位過渡,不允許輸出電位跳變。3.3 電壓移位調(diào)制的原理電壓移位調(diào)制是基于載波調(diào)制的一種方式。如果直流側(cè)幾個電容電壓相等 , 若二極管鉗位逆變器的電平數(shù)為 5，則所需要的載波數(shù)就是4，所有這些載波都具有相 同的頻率和相同的幅值。 這4個三角載波在空間上是垂 直分布，而且所占的區(qū)域也是連續(xù)的，彼此之間緊密相 連，對稱分布于橫軸的兩側(cè)，然后再與 1 個正弦調(diào)制波進(jìn) 行比較，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。如圖 5 所示：產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖經(jīng)過分配連接到各個開關(guān)管，并使之按要求順序開通和關(guān)斷，就可輸出五電平。如圖 6 所示：3.4 三次諧波注入方法在調(diào)制波里相位相同三次或三的倍數(shù)次諧波，在合成線電壓時， 各相電壓的三次或三的倍數(shù)