新型簡易單相五級逆變器

陳賢明

（國網電力科學研究院，江蘇 南京210003）

1 前言

為了抑制日益惡化的氣候變化，保持經濟可持續發展，世界各國都很重視節能減排。除了工業部門大量消耗電能外，各種家用電器也大量消耗電能，因此也有節能的潛力。家用電器大多用單相電源。家用空調、電冰箱等己常采用變頻技術，需要用到單相橋整流器和單相橋逆變器。本文提出了一種簡易的單相五級逆變器方案，即利用中點箝位三級的橋臂來代替單相逆變橋中的一個橋臂，以便較大程度上消除輸出電流中的諧波，得到正弦電流。這種方案的特點是電路簡單，輸出電壓為5 電平，故稱為簡易單相五級逆變器，它可以用于單相的變頻器，也可用于風力發電、光伏電源逆變器之用。本文對簡易單相五級逆變器進行了原理分析，并對其進行了Matlab／Simulink 的仿真研究，得到了預期結果，證明其不失為單相逆變器可選方案之一。

2 新型簡易單相五級逆變器原理

圖1 簡易單相五級逆變器原理圖

圖1為新型簡易單相五級逆變器原理圖。2E為直流電源，經電容器C1、C2 分壓，中點O 作為零電位，單相H 型逆變橋的4 橋臂中的任一個被中點箝位三級逆變器的一個橋臂代替。圖中T1～T5、D1～D5 為電力電子雙向開關元件（以下簡稱T管）。圖中也有反并聯二極管D。在圖1中，H 橋右上臂被T3、T4 組件和箝位二極管D 及活箝位TD 所代替。逆變器輸出電壓Uab 為a、b 兩點電位Ua、Ub 之差，經電感L 接至負荷Ld。

表1顯示了簡易單相五級逆變器各T 管導通與輸出電位Ua、Ub 及輸出電壓Uab 之間的關系，表中1代表導通，0 代表截止。由此可以看出，其Uab 輸出為2E、E、0、－E、－2E，屬5 電平，顯然這對于減小諧波有利。如果不用脈寬調制PWM 控制，Uab 輸出的是矩形波。為產生正弦波電流，可以用正弦波脈寬調制SPWM 控制技術。

表1 逆變器各T 管導通與輸出電位Ua、Ub 及電壓Uab 之間的關系

3 簡易單相五級逆變器仿真

圖2為簡易單相五級逆變器的Matlab／Simulink仿真結構圖，其中5LHBI 模塊為簡易單相五級逆變器，其展開圖如圖3所示。它的子模塊Ls、Rs 的展開圖如圖4所示。為產生PWM 控制信號，可利用圖5為單相五級逆變器輸出電壓設計的PWM控制方案，其中θ 角可選用，以使波形盡量接近正弦。

圖2 簡易單相五級逆變器的Matlab／Simulink 仿真結構圖

圖3 5LHBI 模塊的展開圖

圖4 Ls、Rs 的展開圖

圖5中標出了各級電平下應導通T 管號，如逆變器輸出＋E電平時，利用T2、T4導通時產生＋E 電平，T2、T5 導通時產生零電平來形成PWM 控制，對逆變器輸出＋2E、－E、－2E時可以類推。圖6是逆變器T 管的驅動模塊Drv－Sgl的展開圖，它是按照圖5的T 管的導通情況設計的，注意這里同步信號Usa 取自圖2所示的工頻正弦波發生器Sine。當Usa 在正半波時，Uab＝＋E，PWM＝“ 1”，T2、T4 導通，電流i 正向流出 途 經 為：0 →D →T4 →a→L，Ld →b →T2 →－E →0。通常由于負荷電路中有電感L，當T4 截止，PWM由“1”變“0”時，電流i導通的續流途徑為：a→L，Ld→b→T2→D5→a。

圖5 單相五級逆變器輸出電壓

當Uab＝＋E 時，i 負向流動途徑為b→L，Ld→a→D4→TD→0→C2→D2→b。當T4 截止、T5 導通時，電流i 轉為續流途徑a→T5→D2→Ld，L→a。

附錄中還列出了Uab＝＋2E、－E、－2E 情況下電流i 的流動途徑和續流途徑，并說明需要裝設活箝位TD 管的原因。

圖6 T 管驅動模塊Drv－Sgl 的展開圖

圖6中的ga 是PWM 的控制信號，它是由圖2中的單周控制模塊OCC 產生的。

圖7是OCC 的展開圖，其輸入的被控信號是逆變器輸出電流ia，參考信號Refa 采用的是和Ref成正比的Sine 信號，要讓OCC 中比較器compa 正確比較，交流的ia 和Refa 均需用絕對值，圖中的開關Switch 用于積分器1／S 清零用。

圖6結構圖中還有一些用于電壓、電流的測量單元，電流有效值顯示以及若干示波器Scope，用于觀察仿真結果。

該仿真電路元件參數如下：直流電源E1，E2＝250v，電感L＝10mH，負荷Load，電阻5Ω，電感0.1mH，二極管D 管壓降0.8V，全控型開關T 管IGBT，管壓降1V，通態電阻Ron＝0.001Ω，吸收電路電阻Rs＝100kΩ，單周控制用時鐘頻率clk＝2kHz，仿真用Ref＝（1－6）＊10－4安·秒。圖8為仿真得到的單相五級逆變器T 管驅動脈沖，顯然它和圖5所要求的T管導通、截止是一致的。圖9為單相五級逆變器Ref＝0.0012 安·秒時的Matlab／Simulink 仿真結果。

圖7 OCC 模塊的展開圖

圖8 單相五級逆變器T 管驅動脈沖圖

圖9（A）為逆變器負荷電壓U／負荷電流i 波形圖，因負荷電感較小，功率因數接近1。圖9（C）為逆變器輸出端口A，B 間電壓Uab，它為5級階梯的PWM 脈沖波，因其受OCC 控制，參考電壓為正弦，所以此調制波相當于正弦脈寬調制SPWM 波形。圖9（B）為逆變器輸出電感L 上的電壓降，它起著電流濾波的作用，保證了矩形階梯調制波至正弦波負荷電壓U 的過渡，其濾除電流諧波，本文選用5 級階梯波脈寬調制方案。圖5中的θ＝30°角的選擇是隨意的，應進一步探討其優化值。另外，為得到更好的正弦負荷電流，只靠單一電感L 濾波是不充分的，應探討改進和優化。

圖9 單相五級逆變器Matlab／Simulink 仿真結果

圖9（D）、（E）為直流側電源E1、E2 上下電流id＋、id－的工作情況。圖9（F）表示了OCC 單元積分值Jiadt 和參考值Refa 波形比較，前者能很好跟蹤后者，說明比較器工作正確。

4 結束語

本文提出的簡易單相5 級逆變器設計方案在原理上是可行的，它只增加少許器件，并利用SPWM控制能獲得較好的電壓波形，Matlab／Simulink 仿真結果表明它是可行的。方案利用圖6所示的T管驅動模塊，并從圖8所示的驅動脈沖可以看出，T1、T2 管不作PWM 控制，有可能用晶閘管代替，這有利于降低逆變器的成本。

［1］邱曉林等.基于Matlab 的動態模型與系統仿真工具——Simulink 3.0／4.X［M］.西安：西安交通大學出版社，2003.

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附：當Uab＝＋2E，－E，－2E 情況下電流i 的流動途徑和續流途徑附圖1表示了圖2中負荷LOAD 上的電圧U 和感性電流i以及逆變器輸出的五級PWM 電圧Uab 及U，i 各種方向下的分區（U 為Uab 的基波）。

在附圖1中，U 表示負荷電壓，i 表示感性負荷電流，Uab表示逆變器AB 端輸出電圧。A 區U 正i 負；B 區U、i 都正；C區U 負i 正；D 區U、i 都負。［Ⅰ］當Usa 在正半波時：

＊＊＊Uab＝＋2E 時，PWM＝“1”，T2、T3、T4 導通，電流i 正向流出途徑為＋E→T3→T4→a→L，Ld→b→T2→－E→C2，C1→＋E。通常由于負荷電路中有電感L，當T2 截止，T1 導通，PWM由“1”變“0”，電流i 導通的續流途徑為a→L，Ld→b→D1→T2→T3、T4→a。

＊＊＊Uab＝＋2E 時，負電流－i 流動途徑為b→Ld、L→a、D4、D3→C1、C2→D2→b；負電流－i 的續流途徑為a→D4、D3→T1→b→Ld、L→a。

［Ⅱ］當Usa 在負半波時：

＊＊＊ Uab＝－E 時，PWM＝“1”，T1、T4 導通，負電流－i 流出途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a，D4→D→0→C1→＋E；T1、T3、T4 導通，負電流－i 的續流途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a，D4、D3→＋E。

＊＊＊Uab＝－E 時，T1、T4 導通，正向電流i 流動途徑為a、Ld、L→b→D1、＋E→0、TD→T4→a；T1、T3、T4 導通，電流＋i 的續流途徑為a、Ld、L→b→D1→T3、T4→a。

［Ⅲ］當Usa 在負半波時：＊＊＊ Uab＝－2E 時，PWM＝“1”，T1、T5 導通，負電流－i 流出途徑為＋E→T1→b、Ld、L→a→T5→－E→C1、C2→＋E；T2、T5導通，電流－i 的續流途徑為a→T5→－E→D2→b→Ld、L→a。＊＊＊Uab＝－2E 時，T1、T5 導通，正向電流i 流動途徑為a、Ld、L→b→D1→C1、C2→D5→a；T2、T5 導通，電流＋i 的續流途徑為a→Ld、L→b→T2→D5→a。

由此可以看出，當Uab＝＋E 時i 負向流動和當Uab＝－E時i 正向流動，它們都必需流過活箝位TD，這就是為什么必需有TD 的原因。