基于级联变换器的逆变器研究

【摘要】多电平逆变器具有的输入输出电压范围宽、容量大和电压波形好等优点，目前的二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变器需要大量二极管和电容作为辅助器件，使其结构复杂控制困难。本文介绍的带有独立直流源的级联逆变器拓扑很好的解决了这个问题，该变换器具有结构简单、控制容易、输出波形好等优点，然后分析了载波相移SPWM调制方案以及其谐波抵消的基本原理，最后通过仿真和实验验证该种方案的可行性。

【关键词】多电平逆变器;级联;载波相移;SPWM

Abstract：Multilevel converters has drawn tremendous intetest because of its’ good qualities .At present diode-clamp and flying-capacitors multilevel converters need many diodes and capacitors， so its’ structure is very complex.In this paper a cascade inverter with isolated DC sources is introduced， this kind of converter has a simple structure and is easy to control and has a perfect output ，then carrier phase-shifted SPWM control strategy is analysed and the harmonious cancellation theory of this kind of control strategy is studied in detail.In the end the validity of this project is verified by simulation and experimental results.

Key words：Multilevel Inverter;Cascade;Carrier Phase-Shifted SPWM

引言

近年来随着恒压、恒频逆变电源在UPS、车载、船载的独立电源系统中应用不断增多，用户对逆变电源的容量和输出波形的要求也不断提高。而传统的逆变器要把容量做大，则对开关器件的要求较高，如：要承受高的电压应力，能够通过大的负载电流。目前只有采用可控硅（SCR，GTO）这些开关速度低的器件才能满足要求，而这导致逆变桥输出波形的低次谐波的含量大，输出滤波器变得笨重。

针对以上矛盾，多电平逆变拓扑[1][2]很好的解决了以上问题，目前的多电平逆变拓扑主要有以下几种：二极管箝位多电平逆变器[3][4]，飞跨电容型多电平逆变器[5]，级联型多电平逆变器[6]。二极管箝位的多电平逆变器随着电平数目M的上升其所需的箝位二极管个数n也会迅速增大，具体关系为：n=（M-1）（M-3）/2，所以在实际应用中M往往被限制在9以下。飞跨电容多电平逆变器随着M变化所需飞跨电容的数目为：n=（M-1）（M-3）/4，所以也存在随着M增大，需要飞跨电容的数目太多缺点，同时控制比较复杂，工作时要求较高的开关频率以利于电容间的均压。

可见以上两种多电平拓扑应用中都存在器件繁多、控制复杂以及电平数目被限制在较小的范围等问题。而带隔离直流电源的级联型逆变器（如图1所示）则有效的解决了这些问题，而且容易实现模板化，给实际调试，维护带来极大的方便。

图1 级联型多电平逆变器

1.级联型逆变器的调制方案及谐波分析

级联逆变器采用载波相移的正弦脉宽调制技术（CPS-SPWM）[2]，所谓CPS-SPWM即级联的各个桥都采用相同的正弦脉宽调制（SPWM）方式，只是每个桥的载波之间依次相移=Tc/N，Tc为载波周期，N为级联的桥的数目。

图2 单相桥模型

图3 级联逆变桥仿真输出波形

图4 输出波形的频谱分析

实际应用中每个桥都是用倍频SPWM调制方式，也就是用两个频率、幅值相同，相位相反的正弦波和载波三角波交截产生两个控制信号，分别加在桥的两个上管（如图2所示）Q1，Q3，下管和上管互补导通，使得单个的桥臂输出单极性SPWM波形，且脉动频率为载波频率的两倍，所以每个桥的等效载波频率为2fc，那么桥的载波之间依次相移角度为=Tc/2N。

下面对采用CPS-SPWM调制方式的级联型逆变桥上输出波形进行谐波分析，首先对单个逆变桥输出波形分析，表达式（1）和（2）分别表示桥臂中点对直流电源中点的电压傅立叶分析：

（1）

（2）

式中E'=E/2，m'为相对载波的谐波次数，k'f为频率调制比。所以单相全桥输出波形的谐波表达式如下：

（3）

由上式可知，m'只能为偶数，n只能为奇数：

（4）

现在有N个桥级联，各个桥的控制信号相移=Tc/2N，输出波形分析如下：

（） （5）

所以级联后的输出为：

（6）

从上式可知由N个具有独立直流源倍频SPWM单相全桥级联时，输出电压中将得到2N+1个电平，输出电压中Nkf±1次以下的谐波都被消除。而一般的阶梯波叠加只能消除2N+1次以下的谐波，单独的倍频SPWM可以消除kf±1次以下谐波，由此可见CPS-SPWM的调制方式要比直接的阶梯波叠加和单独的SPWM具有更好的消除谐波的特性，特别是当N，kf较大时，只要加很小的滤波器，输出波形就可以达到完美无谐波的程度。

2.仿真分析

运用MATLAB中simulink软件包对CPS-SPWM调制方式的级联型逆变桥进行仿真，级联四个单相全桥，且每个桥输入的直流电压为30V，参考正弦波的频率为400Hz，载波频率为6kHz，频率调制比为15，幅度调制比为0.84。输出电压波形及其频谱分析如图3，图4所示。

图5 四个桥的输出电压波形及频谱分析

3.实验结果

根据以上原理分析和仿真，制作了一台9电平CPS-SPWM调制的单相级联逆变器，输入直流电压，正弦波载波频率同仿真中参数。每个通道输出电压波形、级联后的9电平电压和通过低通滤波器后的波形以及频谱分析如图5-7所示。

实验中看出每个桥输出SPWM波形及频谱分布完全一致，实际相互间差一个相移角α，通过级联输出后电压波形已经很接近正弦波，且本来单个桥输出波形的29次，59次左右的谐波都被消除，而实际还存在谐波都集中在110次以上，因此输出滤波变得很容易，只要一个很小的滤波参数就可以获得满意滤波效果，此处的滤波参数：滤波电感，电容。这和前面的理论分析以及仿真结果基本一致，证明了本方案的可行性和优越性。

图6 逆变桥输出电压及其频谱分析

图7 输出电压通过滤波器后的波形和频谱分析

4.结论

（1）实现同样的电平数，级联型逆变拓扑和其它两种多点平拓扑相比所需要的器件最小，而且控制相对简单。

（2）CPS-SPWM控制的级联逆变器在较低开关频率下能够获得良好的谐波特性，也就是通过级联实现了开关频率的倍频效果。

（3）由于级联的特性级联型逆变器可以方便的实现高压大功率输出，解决了开关管串联均压的问题。而且由于逆变桥器件的参数、控制方案的一致性，可以实现逆变器的模板化结构。

参考文献

[1]Jih-Sheng Lai and Fang Zheng Peng，“Multilevel Converters―A New Breed of Power Converters”IEEE TRANSACTION ON INDUSTRY APPLICATIONS.VOL.32.NO.3.MAY/JUNE pp509-517 1996

[2]José Rodríguez; Steffen Bernet; Bin Wu etc.Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives.IEEE Trans.on Industry Electronics， volume 54， issue 6， Dec.2007， pp.2930-2945.

[3]D.Soto， T.C.Green.A comparison of high-power converter topologies for the implementation of FACTS controllers.IEEE Trans.on Industrial Electronics， volume 49， issue 5， Oct.2002， pp.1072-1080.

[4]N.A.Azli， Y.C.Choong.Analysis on the performance of a three-phase cascaded H-bridge multilevel inverter.IEEE International Power and Energy Conference， Nov.2007， Putrajaya， Malaysia， pp.405-410.

作者简介：陈万（1979―），男，硕士，主要从事电力电子技术教学，功率电子变换以及新能源发电的研究。