一種新型混合多電平逆變器的研究

1981年，日本的Nabae等人提出了多電平變換器的思想，近年來成為了高壓大功率變頻領域的一個研究熱點。多電平逆變器輸出電壓階梯多，從而可以使輸出的電壓波形具有較小的諧波和較低的du／dt。隨著輸出電平數的增加，輸出電壓的諧波將減少。另外，多電平逆變技術在減小系統的開關損耗與導通損耗，降低管子的耐壓與系統的EMI方面性能都非常優良。

　　傳統的多電平逆變器可分為二極管箝位型、電容箝位型以及級聯型等三種結構拓撲，二極管箝位型逆變器因為在隨著電平數的增多，其開關器件和箝位二極管會大量的增加，因此通常只適合于五電平以下的多電平拓撲。而電容箝位型逆變器存在有電容的充放電電壓平衡的問題，而且在電平數增加時，會需要較多的箝位電容，因此也存在一定的弱點。對級聯型多電平逆變器來說，當需要得到多個電平時，會需要較多的直流電源，整流側會需要一組變壓器，造成體積龐大，另外也不易實現四象限運行。

　　針對傳統多電平拓撲結構的上述不足，本文提出了一種新的不對稱混合多電平逆變器結構，通過控制輸入端的電源數目，可以得到不同的電平數，最多可以得到六個輸出電平，在減少器件與直流電壓源的同時，增加了電平數的輸出。

　　l 逆變器的運行原理分析

　　逆變器的結構原理圖如圖1所示，從該圖可以看到，電源側一共由三個直流電源組成，橋臂左側由兩電平半橋單元組成，橋臂右側由一個三電平半橋單元組成，分別箝位在中間電源V2上與直流總線電源上。三電平半橋即是普通的二極管箝位三電平半橋。中性點N通過導線連到箝位二極管的中點處。V1，V2，V3分別代表三個直流電源，其中V2通過兩個電容C2，C3分壓，V1，V2，V3的不同的比值將在負載端AO出現不同的電平。當V1：V2：V3=3：2：3時，可以得到最多六個電平的輸出，此時，我們可以看到兩個單元的直流電壓都按照最大擴展原則來確定的，得到了最大電平數2×3=6的輸出。

　　當電壓比Vl：V2：V3=3：2：3時，負載AO上得到的六電平輸出電壓狀態與各器件導通狀態的關系如表1所示。設單位電壓為V。時，得到的輸出電壓為+Vd，一Vd，+3Vd，一3Vd，+5Vd，一5Vd。

　　當電壓比V1：V2：V3=l：2：1時，可以得到四電平的輸出，輸出電平為+Vd，一Vd，+2Vd，一2Vd。

　　從狀態圖我們可以看到，負載電壓與器件狀態的關系。管子VT2與VT3的導通時間明顯要長于其他器件，而VT5與VT6的開關次數要多，但耐壓要低。在一個多電平系統中，根據器件的特性，應合理選擇器件，左側兩電平單元可以選用耐壓相對低一些的，而右側三電平單元則需要耐壓高導通損耗低的器件。

　　本文對所提出的新型混合六電平逆變器與傳統五電平逆變器在主電路結構上進行了比較，見表2。

　　從表2中我們可以看出新型混合六電平逆變器要明顯優于傳統的六電平逆變器，可以明顯的節省器件、降低系統的損耗。作為六電平逆變器還可以極大的降低輸出電壓的諧波含量，改善輸出電壓波形質量。與五電平逆變器不同的是，六電平逆變器輸出電壓沒有零電平。

　　2 逆變器的調制原理

　　一種拓撲結構，必須采用合適的調制方法，才能得到期望的輸出。不同主電路結構的逆變器，都對應有一定的調制方式。在本文所提出的新型混合六電平逆變器中，采用特定諧波消除法(SHEPWM)作為該拓撲結構的調制方式。能夠極大地降低系統的開關頻率，從而減低損耗。該方法的基本思想是通過傅立葉級數分析，得出在特定開關角下的傅立葉級數展開式，然后令某些特定的低次諧波為零，從而得到一個反映Ⅳ個開關角的N個非線性獨立方程，按求解的開關角進行控制，則必定不含這些次數的諧波。通常，這種方法著眼于消除低次諧波，因為高次諧波幅值較小，同時諧波頻率增高，濾波相對容易一些，即特定諧波消去法的控制目標是讓基波幅值最大，并消除低頻次非3倍頻次諧波。

　　由于圖2所示的波形明顯滿足狄利克雷充分條件，又屬于1／4周期對稱的波形，所以其傅立葉級數不存在余弦項和所有偶次諧波，于是可得：