多电平技术讲解

飞跨电容型多电平逆变器
1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出了 如图2所示结构的飞跨电容箝位型逆变电 路，其特点是用箝位电容代替图1中所述 的箝位二极管。
直流侧电容不变，其工作原理与二极 管箝位型逆变器相似。若要输出更多的 电平，须按照层叠接法进行扩展。因此 也称为多单元层叠型逆变(Imbricated Cell Multi-level Inverter)。同样对于三相N电 平逆变器可输出N电平相电压，(2N-1)电 平的线电压。
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电
压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点 定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪 一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位 到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时， 二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
1多电平变换器研究的背景及意
义
因此，对于交流电动机的变频调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调 速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电 平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt 较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。

飞跨电容型逆变器的缺点
对于电容电压平衡的问题，可以在输出相 同电平时采用不同的开关组合对电容进行充放 电来解决，但因电容太多，如何选择开关组合 将非常复杂，并要求较高的切换频率。
缺点：逆变器每个桥臂需要的电容数量随输 出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电 容使得系统成本高且封装困难。其次控制方法 非常复杂，实现起来很困难，并且还存在电容 的电压不平衡问题。
当然，级联H桥型变流器也有不足之 处，主要就是在需要提供有功功率的场 合必须采用独立直流电源。显然，在不 需要提供有功功率的场合比如静止无功 补偿器、电力有源滤波器(APF)等，级联 型多电平变流器具有更大的优势。
H桥级联型逆变器工作机理
对于2个H桥级联的逆变器，逆变器输出 电压等于各单个H桥输出电压的叠加，当单 个H桥单元工作在三电平方式下，该级联型 逆变器(含两个H桥单元)，输出电压为：
其中，Uab为该级联型逆变器两个H桥单元输 出的总电压，Uabi(i=1，2)为各单个H桥单元的 输出电压。
从前述单个H桥的工作原理中，可知当单个H桥 工作在三电平方式的情况下，可以输出三个电平： +E，0，-E。式(2-1)中Uabi(i=1，2)可取三种电平中 的任意一种，从而得知，输出电压的最大值 Uabmax和最小值Uabmin分别:
鉴于此，对于该拓扑的应用性研究，近年来 已经相对较少。
飞跨电容型逆变器的优点
飞跨电容型逆变器相对于二极管箱位型逆变 器，具有以下优点：
(1) 在电压合成方面，开关状态的选择具有更 大的灵活性；
(2) 由于电容的引进，可通过在同一电平上不 同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡；
(3) 可以控制有功功率和无功功率的流量，因 此可用于高压直流输电。
多电平变换器 Multilevel Converter
主讲人：牛得存
目录
1 多电平变换器研究的背景及意义 2 多电平逆变器研究现状
2.1 二极管箝位型多电平逆变器 2.2 飞跨电容型多电平逆变器 2.3 级联型多电平逆变器
3 多电平调制策略 4 H桥级联型逆变器仿真
1多电平变换器研究的背景及意
多电平变换器研究的背景及意 义
为此，有学者提出一种多电平功率变换技 术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大功 率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小 dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为 高压大功率驱动场合的发展趋势。
2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器作为一种新型的高压大功率 逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的 输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点： 无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低, 因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染 少等。
(3) 按特定规律分别对每一单元进行PWM 控制，各单元输出波形叠加即可得多电平 输出，控制方法比箝位型电路对各桥臂的 简单，也易于扩展。
H桥功率单元工作机理
图7所示为级联型H桥 逆变器的单元结构， 称之为单个H桥单元。 其输入为直流电压源 E，通过4个带反并联 二极管并联IGBT(V1V4)输出uab的交流电 压。
通过控制H桥臂上 的V1-V4的导通与关 断，可使H桥单元输 出所需要的电压和频 率。由图7可以看出， 单个H桥单元的输出 电压Uab与四个开关 V1-V4的开关状态有 关。

图8（a)所示为该单 个H桥单元输出三电 平方式的输出波形示 意图。从该示意图中 可以看出，其输出电 平包括E，0，-E。
合，C1上的充电和放电的电荷可以达到平衡。 表2给出了二电平电容箝位型电路拓扑的常用 工况。
表2飞跨电容箝位型三电平逆变器工况
飞跨电容型逆变器的缺点
但由于该结构需要大量的箝位电容， 对于N电平的逆变器，其所需的悬浮电容 需要(N-1)(N-2)/2个。而且在运行过程中 必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保 证逆变器的运行安全，而电容器件本身 存在可靠性较差，寿命较短的问题，所 以导致逆变器可靠性差。
表1二极管箝位型三电平逆变器工况
若要得到更多电平数，如N电平，只 需将直流分压电容改为(N-1)个串联，每 桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联，每桥 臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)个， 每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂
对应开关器件之间进行箝位，再根据与 三电平类似的控制方法进行控制即可。
Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。
对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧 需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压 为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电 压和输出电流的总谐波畸变率越小。
级联型多电平逆变器
1975年P.Hammond提出了多个H桥采 用隔离的直流电源作输入，输出端串联 的结构。田纳西大学的F．Z．Peng等人 于1996年系统地提出了级联型H桥型变流 器的拓扑结构，并用于无功补偿。
级联型H桥逆变器由若干功率单元级联而成，每
个单元有其独立的直流电源。其主电路拓扑结构如 图3所示，该电路为单相N单元级联型逆变器，其输 出波形所含电平数为2N+1，所含电平数越多，则谐 波含量越低，开关所承受的电压应力越低。
多电平逆变器研究现状
多电平逆变器的思想从提出至今，出 现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：
(1) 二极管箝位型逆变器
(2) 飞跨电容型逆变器
(3) 具有独立电源的级联型逆变器
多电平逆变器研究现状

这三种结构具有共同的优点： (1) 电平数越高，输出电压谐波含量越低；
(2) 器件开关频率低，开关损耗小；
H级联型逆变器有如下特点
(1) 每相由多个H桥单元级联而成，逆变 器输出相电压电平数L与单元级联数目N 之间存在L=2N+1的关系。由于各功率单 元结构相同，易于模块化设计和封装； 当某单元出现故障，可将其旁路，其余 单元可继续运行，系统可靠性大大得到 了提高；
(2) 直流侧采用独立电源供电，不需箝位 器件，也不存在电压均衡问题。若直流 侧由三相不控整流电路供电时，整流侧 需要采用多抽头变压器，虽然增大了装 置体积，但多重化整流减小了输入侧电 流谐波；
二极管箝位型逆变器的缺点
但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑 结构仍然有其固有不足：虽然开关器件 被箝位在E/(N-1)电压上，但是二极管却 要承受不同倍数的反向耐压；如果使二 极管的反向耐压与开关器件相同，则需 要多管串联，当串联数目很大时，增加 了实际系统实现的难度。当逆变器传输 有功功率时，由于各个电容的充电时间 不同，将形成不平衡的电容电压。
(3) 器件应力小，无需动态均压。
二极管箝位型多电平逆变器
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
同理，对于N单元级联型逆变器而言，输出相 电压电平数为：
为了利用低压开关器件获得多电平高
压输出，二极管箝位型和飞跨电容型多电 平逆变器共同采用的办法是，将电力电子 开关器件串联组成半桥式结构，用一个高 压直流电源供电，并采用多个直流电容串 联分压，采用二极管或电容，将主开关管 上的电压箝位在一个直流电容电压上，来 达到用低压开关器件实现高压输出的目的。 但因此出现了直流电容分压的均压问题。 这给多电平逆变器带来了麻烦，只能采用 控制算法来解决这个问题
义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对 能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主 动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
二极管箝位型逆变器的优点
二极管箝位结构的显著优点：就是利用二 极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
二极管箝位型逆变器的优点
由于没有两电平逆变器中两个串联器 件同时导通和同时关断的问题，所以该 拓扑对器件的动态性能要求低，器件受 到的电压应力小，系统可靠性有所提高。 在输出性能上也拥有多电平逆变器所固 有的优点，如电压畸变小，du/dt小，对 电机负载的冲击小等。
而级联型多电平逆变器，是采用具有 独立直流电源的H桥作为基本功率单元级 联而成的一种串联结构形式，它不存在 直流电容分压的问题。因此也不存在直 流电容分压的均压问题，相对于箝位型 多电平逆变器，在控制上简单了很多。
同二极管箝位型逆变器及飞跨电容型
逆变器相比，级联型逆变器不需要大量 的箝位二极管或电容，也不存在中间直 流电压中性点偏移问题；采用模块化安 装，结构紧凑；而采用载波相移的控制 策略，其计算量不会随着输出电平数的 增多而变得更加复杂。
结合式(2-2)及(2-3)可以计算出该级联型逆 变器可实现的最大电平数：
对于三相系统，可以有星型和三角型
两种连接方式，三角形连接中由于相电 压等于线电压，其分析结果与上述单相 的分析结果相同。对于星型连接的三相 系统而言，线电压为两相电压的差值， 等效为2N个单个H桥单元输出电压的叠 加，类比上面的结果可以得到五电平逆 变器线电压电平数的以下结论：
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对于三电平电容箝位型拓扑，如图2所示，
当S1，S2同时导通时，
Uan=E/2，
而S1'，S2' 同时导通时，输出Uan=-E/2。
但是对于输出Uan为0电平时，导通的开关 既可以是S1，S1’，又可以是S2’，S2。这个 电路的要点是维持箝位电容C1的端电压等于
E/2；该电容器在S1，S1’闭合时充电，在S2， S2’闭合时放电。适当地选取0电平的开关组
其中每个功率器件所施加的驱动信号如
表3所示。由于逆变器有四个IGBT，而每 个IGBT有两个工作状态，在同桥臂的两个 IGBT不同时导通的情况下，共有2*2=4种 输出状态，对应三个电平。
图8（b）所示为该 单个H桥单元输出两 电平方式的输出波形 示意图。输出电平包 括E，-E。
其中每个功率器件上所施加的驱动信号如表4所 示。可见在在逆变电路同一桥臂上的两个IGBT 不同时导通的情况下，V1和V4，V2和V3同时通 断可输出两电平。