第7章PWM多电平电路
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二极管钳位 电容钳位 有源钳位
混合电路
控制方式 电能变换
方波电路 PWM电路
整流电路 逆变电路 直流变换电路 交流变换电路
7.2 多重化方波电路
7.2.1 多重化方波整流电路 7.2.2 多重化电压源方波逆变电路
7.2.1 多重化方波整流电路
◆移相30构成的串联2重联结电路 ☞整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差
补充5 二重PWM型逆变电路输出波形
7.4 多重化PWM逆变电路
图7-10 多重化PWM电压源逆变电路 a)变压器输出方式 b)直接输出方式 1—输入整流变压器 2—三相不控整流电路 3—驱动电路 4—单相逆变电路 5—输出变压器 6—N相三角形载波发生器 7—单相正弦波发生器
7.5 中点钳位式逆变电路
◆是在电源和负载之间 接入多个结构相同的基本 斩波电路而构成的。
◆相数:一个控制周期中 电源侧的电流脉波数。
◆重数：负载电流脉波 数。 ■3相3重降压斩波电路
◆电路及波形分析 ☞相当于由3个降压斩
波电路单元并联而成。
☞总输出电流为 3 个斩波电路单元输 出电流之和，其平均值为单元输出电流平均 值的3倍，脉动频率也为3倍。
I1
23 3
Id
3 I2 I3 3 Id
I4 Id
3 3
Id
I5
Id
23 3
Id
7.2.1 多重化方波整流电路
☞对波形iA进行傅里叶分析，可得其基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别 如下：
I nm
1 n
4
3
Id
n 12k 1, k 1,2,3, (7-2)
I1m
43
Id
(7-3)
即输入电流谐波次数为12k±1，其幅值与次数成反比而降低。
☞其交流侧输入电流谐波次为24k±1，k=1，2，3…。
☞输入位移因数功率因数分别为：
cos1=cos =0.9971cos
7.2.2 多重化电压源方波逆变电路
■二重单相电压型逆变电路
◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过
变压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
30、大小相等的两组电压，接到相互串联的2组整流桥。 ☞因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图
所示，为1:1: 3 。
☞该电路为12脉波整流电路。
补充1 移相30串联2重联结电路
7.2.1 多重化方波整流电路
图7-1 两重方波整流电路 a)并联电路结构 b)串联电路结构 c)网侧电流波形
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波 就错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3
次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。 u1
☞ uo波形是120°矩形波，含6k±1次谐 O
波，3k次谐波都被抵消。
■由此得出的一些结论
u2
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位 O
差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量 uo
☞整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉波整
流电路。
☞交流侧输入电流谐波更少，为18k±1次（k=1, 2, 3…），ud的
脉动也更小。 ☞输入位移因数和功率因数分别为：
cos1=cos =0.9949cos
◆将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路 ☞为24脉波整流电路。
◆扩容和谐波抑制的基本思想 多电平电路不依靠高开关频率来实现谐波抑制，它通过新型
电路拓扑提高电路的总容量和输出电压的总电平数，并使它接近 正弦，从而实现容量扩大和谐波抑制。
7.1.2 PWM多电平电路的分类
多电平电路
电路构成
多重化电路 中点钳位电路
耦合方式 直耦式 磁耦式
叠加方式 串联叠加 并联叠加
☞电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。
■多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用， 万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总 体的可靠性提高。
7.4 多重化PWM逆变电路
补充4 二重PWM型逆变电路
■二重化后，输出电压中所含谐波的 角频率仍可表示为nc+kr，但其 中当n为奇数时的谐波已全部被除 去，谐波的最低频率在2c附近， 相当于电路的等效载波频率提高了 一倍。
■多电平电路的工作背景 ◆大功率应用的特点 （1)由于器件和单机容量的限制，大功率电路需要由多个器件或 多个单元电路通过串/并联连接实现。 （2)由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，EMI强 度高。 （3)高可靠性：对于电力系统和大型生产设备的电力传动系统等 应用场合，故障将产生严重后果，故要求有高可靠性运行。
图7-7 N=3多重化PWM单象限降压型电路 a)主电路结构 b)电量波形
7.3 多重化PWM直流变换电路
☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比） 与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平 波电抗器总重量大为减轻。
☞当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩 波电路，当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩 波电路。
相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
补充2 二重单相逆变电路
三次谐波
180°
60 °
t 三次谐波
t
120°
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两 O
t
种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，
电流型逆变电路多用并联多重方式。
补充3 二重逆变电路的工作波形
7.3 多重化PWM直流变换电路
■多相多重斩波电路
第7章 PWM多电平电路
7.1 概述 7.2 多重化方波电路 7.3 多重化PWM直流变换电路 7.4 多重化PWM逆变电路 7.5 中点钳位式逆变电路
7.1 概述
7.1.1 PWM多电平电路的工作背景 7.1.2 PWM多电平电路的分类
7.1.1 PWM多电平电路的工作背景
■多电平电路泛指其输出量 具有多个电平的电路（在多电平整流电 路则指其输入电流），而采用PWM控制方式的多电平电路则称为 PWM多电平电路。
☞其他特性如下：
√直流输出电压 √位移因数
Ud
6
6U2 cos
cos cos 1
√功率因数
cos 0.9886cos
8/131
7.2.1 多重化方波整流电路
◆利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串 联3重联结电路
☞整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。
混合电路
控制方式 电能变换
方波电路 PWM电路
整流电路 逆变电路 直流变换电路 交流变换电路
7.2 多重化方波电路
7.2.1 多重化方波整流电路 7.2.2 多重化电压源方波逆变电路
7.2.1 多重化方波整流电路
◆移相30构成的串联2重联结电路 ☞整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差
补充5 二重PWM型逆变电路输出波形
7.4 多重化PWM逆变电路
图7-10 多重化PWM电压源逆变电路 a)变压器输出方式 b)直接输出方式 1—输入整流变压器 2—三相不控整流电路 3—驱动电路 4—单相逆变电路 5—输出变压器 6—N相三角形载波发生器 7—单相正弦波发生器
7.5 中点钳位式逆变电路
◆是在电源和负载之间 接入多个结构相同的基本 斩波电路而构成的。
◆相数:一个控制周期中 电源侧的电流脉波数。
◆重数：负载电流脉波 数。 ■3相3重降压斩波电路
◆电路及波形分析 ☞相当于由3个降压斩
波电路单元并联而成。
☞总输出电流为 3 个斩波电路单元输 出电流之和，其平均值为单元输出电流平均 值的3倍，脉动频率也为3倍。
I1
23 3
Id
3 I2 I3 3 Id
I4 Id
3 3
Id
I5
Id
23 3
Id
7.2.1 多重化方波整流电路
☞对波形iA进行傅里叶分析，可得其基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别 如下：
I nm
1 n
4
3
Id
n 12k 1, k 1,2,3, (7-2)
I1m
43
Id
(7-3)
即输入电流谐波次数为12k±1，其幅值与次数成反比而降低。
☞其交流侧输入电流谐波次为24k±1，k=1，2，3…。
☞输入位移因数功率因数分别为：
cos1=cos =0.9971cos
7.2.2 多重化电压源方波逆变电路
■二重单相电压型逆变电路
◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过
变压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
30、大小相等的两组电压，接到相互串联的2组整流桥。 ☞因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图
所示，为1:1: 3 。
☞该电路为12脉波整流电路。
补充1 移相30串联2重联结电路
7.2.1 多重化方波整流电路
图7-1 两重方波整流电路 a)并联电路结构 b)串联电路结构 c)网侧电流波形
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波 就错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3
次谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。 u1
☞ uo波形是120°矩形波，含6k±1次谐 O
波，3k次谐波都被抵消。
■由此得出的一些结论
u2
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位 O
差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量 uo
☞整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉波整
流电路。
☞交流侧输入电流谐波更少，为18k±1次（k=1, 2, 3…），ud的
脉动也更小。 ☞输入位移因数和功率因数分别为：
cos1=cos =0.9949cos
◆将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路 ☞为24脉波整流电路。
◆扩容和谐波抑制的基本思想 多电平电路不依靠高开关频率来实现谐波抑制，它通过新型
电路拓扑提高电路的总容量和输出电压的总电平数，并使它接近 正弦，从而实现容量扩大和谐波抑制。
7.1.2 PWM多电平电路的分类
多电平电路
电路构成
多重化电路 中点钳位电路
耦合方式 直耦式 磁耦式
叠加方式 串联叠加 并联叠加
☞电源电流的谐波分量比单个斩波电路时显著减小。
■多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用， 万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总 体的可靠性提高。
7.4 多重化PWM逆变电路
补充4 二重PWM型逆变电路
■二重化后，输出电压中所含谐波的 角频率仍可表示为nc+kr，但其 中当n为奇数时的谐波已全部被除 去，谐波的最低频率在2c附近， 相当于电路的等效载波频率提高了 一倍。
■多电平电路的工作背景 ◆大功率应用的特点 （1)由于器件和单机容量的限制，大功率电路需要由多个器件或 多个单元电路通过串/并联连接实现。 （2)由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，EMI强 度高。 （3)高可靠性：对于电力系统和大型生产设备的电力传动系统等 应用场合，故障将产生严重后果，故要求有高可靠性运行。
图7-7 N=3多重化PWM单象限降压型电路 a)主电路结构 b)电量波形
7.3 多重化PWM直流变换电路
☞总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比） 与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平 波电抗器总重量大为减轻。
☞当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩 波电路，当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩 波电路。
相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
补充2 二重单相逆变电路
三次谐波
180°
60 °
t 三次谐波
t
120°
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两 O
t
种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，
电流型逆变电路多用并联多重方式。
补充3 二重逆变电路的工作波形
7.3 多重化PWM直流变换电路
■多相多重斩波电路
第7章 PWM多电平电路
7.1 概述 7.2 多重化方波电路 7.3 多重化PWM直流变换电路 7.4 多重化PWM逆变电路 7.5 中点钳位式逆变电路
7.1 概述
7.1.1 PWM多电平电路的工作背景 7.1.2 PWM多电平电路的分类
7.1.1 PWM多电平电路的工作背景
■多电平电路泛指其输出量 具有多个电平的电路（在多电平整流电 路则指其输入电流），而采用PWM控制方式的多电平电路则称为 PWM多电平电路。
☞其他特性如下：
√直流输出电压 √位移因数
Ud
6
6U2 cos
cos cos 1
√功率因数
cos 0.9886cos
8/131
7.2.1 多重化方波整流电路
◆利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串 联3重联结电路
☞整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。