半橋級聯多電平逆變器拓撲結構及其調制方法

葉滿園，康 翔，李 宋

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，南昌 330013）

半橋級聯多電平逆變器拓撲結構及其調制方法

葉滿園，康 翔，李 宋

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，南昌 330013）

針對半橋級聯多電平逆變器拓撲結構，提出了與之相適應的調制方法。該拓撲結構與傳統的H橋級聯多電平逆變器相比，在基本單元級聯數目相同的條件下，具有輸出更多電平等級，減少電力電子開關器件數目等優點。以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對兩種不同的調制方法進行了理論分析和仿真驗證。仿真結果驗證了該拓撲結構的優越性及其調制方法的可行性。

半橋；級聯單元；多電平逆變器；拓撲結構；調制方法

Abstract:Considering the topology of a cascaded multilevel inverter with a half H-bridge，a modulation method is pro?posed in this paper.Compared with the traditional cascaded multilevel inverter with an H-bridge，the proposed struc?ture can output more levels and reduce the number of switching devices under the condition where the numbers of basic cascaded units are equal.With three symmetric power units and two asymmetric power units being taken as two exam?ples，two different modulation methods are analyzed theoretically and verified through simulations.Simulation results verify the advantage of the proposed topology and the feasibility of the corresponding modulation method.

Key words:half H-bridge；cascaded unit；multilevel inverter；topology；modulation method

級聯多電平逆變器是中壓大功率傳動系統中應用最為廣泛的逆變器拓撲結構之一[1-3]，有相電壓冗余、諧波含量低、易于模塊化設計制造等優點。級聯多電平逆變器每個功率單元都需要獨立的直流電源，適合于太陽能電池和燃料電池等供電的系統[4-6]。級聯多電平逆變器有相電壓冗余、諧波含量低、易于模塊化設計制造等優點，但也存在一些問題。其中一個最大的缺點就是需要數量巨大的電力電子開關器件，并且每個開關器件都需要一個與之相關的門極驅動電路和保護電路，導致整個系統非常昂貴和復雜。因此，級聯多電平逆變器在輸出相同電平數電壓時，減少所用開關器件的數目有利于拓撲結構的簡潔高效。針對這一問題，文獻[7]提出了一種半橋級聯多電平逆變器拓撲結構，該拓撲結構利用半橋結構進行級聯，以更少的開關器件實現了多電平輸出。

1 半橋級聯多電平逆變器拓撲結構分析

圖1為半橋級聯多電平逆變器的一般拓撲結構。當輸入電壓Uin（1）＝Uin（2）＝…＝Uin（n）時，稱為對稱型多電平逆變器拓撲結構。當輸入電壓Uin（1）≠Uin（2）≠…≠Uin（n）時，稱為非對稱級聯多電平逆變器拓撲結構。

針對這種級聯多電平逆變器拓撲結構，本文提出了與之相適應的調制方法。該拓撲結構與傳統的H橋級聯多電平逆變器相比，在基本單元級聯數目相同的條件下，具有輸出更多電平等級，減少電力電子開關器件數目等優點。以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對不同的兩種調制方法進行了理論分析和仿真驗證。

圖2為對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓撲結構。3個單元輸入電壓分別為Uin（1）、Uin（2）和Uin（3），且Uin（1）＝Uin（2）＝Uin（3）＝E，對應輸出電壓為u1、u2、u3。由于逆變器單元之間是串聯關系，逆變器總輸出電壓uo可表示為

圖1 半橋級聯多電平逆變器A相Fig.1 A-phase cascaded multilevel inverter with half H-bridge

圖2 對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓撲結構Fig.2 Topology of seven-level inverter composed of three symmetric units

單元輸出電壓uk可以表示為開關函數Mk與其輸入電壓Uin（k）的乘積，即

在圖2拓撲結構基礎上增加一個H橋單元，合理控制H橋單元開關器件的通斷，就能實現對稱的反向電壓輸出，從而構成完整的三單元七電平對稱逆變器A相拓撲結構，如圖3所示。三單元七電平對稱逆變器拓撲結構采用兩種不同類型的開關器件，其基本單元采用開關頻率較高的開關器件，如絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar tran?sistor），H橋單元采用耐壓值較高的開關器件，如閘門電路斷開GTO（gate-turn-off）晶閘管。

圖3 對稱的三單元七電平逆變器A相拓撲結構Fig.3 A-phase topology of seven-level inverter composed of three symmetric units

圖4為非對稱的兩單元七電平逆變器A相拓撲結構。兩個單元輸入電壓分別為Uin（1）和Uin（2），且2Uin（1）＝Uin（2）＝2E。第1單元（低壓單元）的開關器件采用IG?BT，第2單元（高壓單元）和H橋單元則采用GTO。

圖4 非對稱的兩單元七電平逆變器A相拓撲結構Fig.4 A-phase topology of seven-level inverter composed of two asymmetric units

2 半橋級聯多電平逆變器PWM調制方法

對于對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓撲結構，適用的脈寬調制PWM（pulse width modu?lation）方法如圖5所示。

其中，第1單元開關器件的脈沖觸發信號由調制波um與三角載波uc1相交產生；第2單元開關器件的脈沖觸發信號由調制波um與三角載波uc2相交產生；第3單元開關器件的脈沖觸發信號由調制波um與三角載波uc3相交產生。

對于非對稱的兩單元七電平逆變器拓撲結構，適用的PWM方法原理如圖6所示。

其中，調制波um與三角載波uc1相交，產生邏輯信號y1；調制波um與三角載波uc2相交，再取“非”，產生邏輯信號；調制波um與三角載波uc3相交，產生邏輯信號y3；將邏輯信號y1和邏輯信號作“與”運算，產生邏輯信號y；然后再將邏輯信號y與邏輯信號y3作“或”運算，最終產生第1單元（低壓單元）開關器件的脈沖觸發信號。第2單元（高壓單元）開關器件的脈沖觸發信號由調制波um與三角載波uc2相交產生。

圖5 對稱的三單元七電平逆變器基本單元PWM方法Fig.5 PWM method for the basic units in seven-level inverter composed of three symmetric units

圖6 非對稱的兩單元七電平逆變器基本單元PWM方法Fig.6 PWM method for the basic units in seven-level inverter composed of two asymmetric units

由兩種調制方法可知，對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器最終輸出的相電壓和線電壓波形相同，其達到的輸出效果與傳統的三單元七電平H橋級聯逆變器正負反向層疊式POD（phase opposition disposition）調制方法[8]本質相同。如圖7所示，um為調制波，和為三角載波。POD調制方法的特點是位于基準正弦波正半周的三角載波相位相同，負半周的三角載波與正半周的三角載波關于中軸線對稱。

圖7 傳統的三單元七電平H橋級聯逆變器POD調制方法Fig.7 POD modulation method for traditional seven-level cascaded inverter composed of three units with H-bridge

以三角載波作為參考建立直角坐標系，設基準正弦波為

式中：ma為基準正弦波幅值與三角載波最大幅值的比值；ωm、φ為基準正弦波的角頻率和初始相位角。

令頻率調制比mf=fc/fm=ωc/ωm=N。POD調制方法的輸出相電壓和線電壓中的諧波主要都為以mf及其整數倍次為中心的邊帶諧波。

3 仿真實驗驗證

為了證明本文所提出的半橋級聯多電平逆變器拓撲結構及其調制方法的正確性，以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，在MAT?LAB/Simulink平臺上分別進行了仿真實驗。仿真參數如下：直流側輸入電壓E=100 V；負載R=1 Ω，L=0.01 H；正弦調制波頻率f=50 Hz；三角波頻率fc1=fc2=fc3=fc，頻率調制比mf=fc/fm=120；幅度調制比ma=0.9。

圖8和圖9分別為對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓及其各個單元電壓的輸出波形。從圖8和圖9中可知，兩種調制方法控制下的逆變器線電壓和相電壓的輸出波形完全相同。

圖10為對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓的諧波頻譜。從頻譜圖中可知，相電壓的諧波分布主要以120次、240次等（mf的整數倍）為中心的邊帶諧波，而線電壓中不包含3的整數倍次諧波，諧波總失真THD（total harmonic distortion）含量降低。

圖8 對稱的三單元七電平逆變器線電壓、相電壓和各個單元電壓的輸出波形（ma=0.9）Fig.8 Output waveforms of line voltages and phase voltages for seven-level inverter composed of three symmetric units，and output waveforms of voltage for each unit（ma=0.9）

圖9 非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓和各個單元電壓的輸出波形（ma=0.9）Fig.9 Output waveforms of line voltages and phase voltages for seven-level inverter composed of two asymmetric units，and output waveforms of voltage for each unit（ma=0.9）

圖10 輸出線電壓和相電壓諧波頻譜（ma=0.9）Fig.10 Harmonic spectrums of output line voltage and output phase voltage（ma=0.9）

4 結論

本文針對半橋級聯多電平逆變器拓撲結構，以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對不同的兩種調制方法進行了理論分析和仿真驗證，得出以下結論：

（1）對于半橋級聯逆變器拓撲結構，仿真實驗驗證了在所用開關器件數量較少的前提下，可以輸出較多電平數的電壓，輸出電壓諧波含量低、波形質量高；

（2）對于半橋級聯逆變器拓撲結構，仿真實驗驗證了與對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元相適應的調制方法的正確性和高效性。

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Topology of Cascaded Multilevel Inverter with Half H-bridge and Its Modulation Method

YE Manyuan，KANG Xiang，LI Song
（School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

TM464

A

1003-8930（2017）09-0061-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.010

2015-12-07；

2017-05-16

國家自然科學基金資助項目（51767007）；江西省自然科學基金資助項目（20161BAB206157）；江西省自然科學工業科技支撐計劃資助項目（20161BBE50057）；江西省教育廳資助項目（GJJ160495）

葉滿園（1978—），男，博士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：yemanyuan1@163.com

康 翔（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：1138307636@qq.com

李 宋（1977—），女，碩士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：jxlisong1@163.com