一種基于倍壓電路的七電平單相逆變器設計與仿真

付永升 黃海波 胡文婷 雷 鳴

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一種基于倍壓電路的七電平單相逆變器設計與仿真

付永升1黃海波1胡文婷2雷 鳴2

（1. 西安工業大學電子信息工程學院，西安 710021；2. 湖北汽車工業學院，湖北 十堰 442002）

本文針對單電平逆變器輸出電壓總諧波失真大的問題，提出一種新穎的七電平逆變器拓撲結構。通過控制Mosfet的開關完成調節母線電壓的功能，實現了七電平單相逆變器。相比于傳統的七電平逆變器本拓撲使用較少的開關管，并減小部分開關器件的電壓應力有效降低了開關損耗，提高了系統的穩定性。同時本系統電壓增益可達到3～30倍寬范圍穩定增益，尤其適用于低輸入電壓下的逆變器。最終本文通過PSIM搭建仿真電路驗證了系統的可行性。

倍壓電路；多電平；逆變器；電壓增益

隨著環境污染嚴重、能源危機等問題的出現，發展新能源發電技術越來越多吸引了眾多的研究學者。傳統的逆變器采用兩電平逆變，利用單一直流源通過對橋式鏈接開關管的PWM控制，其輸出的正弦交流電含有較大的諧波分量。因此提出多電平逆變器（multilevel inverters, MLIs）的應用。

多電平逆變器可有效改善電能質量，降低諧波含量，目前多電平逆變器在電力電子應用中得到了全面的研究[1-3]。并且在開關器件使用中低壓開關與高壓開關相比較，低壓開關器件可更好地處理高開關頻率對系統帶來的負面影響[4]。而低電壓開關器件更適合于多電平逆變器，其可有效減小開關損耗，降低系統的電磁干擾（EMI）。以增大系統效率并提高系統的穩定性，尤其在高功率逆變系統中多電平逆變器具有更好的性能并應用廣泛[5-6]。傳統的多電平逆變器有3種拓撲結構：①二極管鉗位式逆變器（diode clamped multilevel inverters, DCMLIs）[7-8]； ②飛跨電容式逆變器（flying capacitor multilevel inverter, FCMLI）[9]；③級聯H橋逆變器（cascaded H-bridge multilevel inverters, CHBMLI）[10]。級聯H橋相比于二極管鉗位式逆變器則需要較少的開關開可獲得相同的電壓等級。然而實現多電平逆變需要多個外圍電路，并且控制邏輯隨著電平數的增多也會變的更為復雜。飛跨電容式逆變器與二極管鉗位式逆變器相似，都需要額外的開關管及其開關狀 態[11]。然而以上多電平逆變器拓撲結構需要較高電壓等級的直流母線電容及較多的器件，減小了系統的能量密度。因此，減少電容體積、開關管及外圍電路的數量是多電平逆變器的一個新的研究熱 點[12-13]。

基于以上方面本文提出一種采用倍壓電路的七電平逆變器。前級使用Boost升壓電路輸出穩定的直流電壓，其次采用三級倍壓電路，可使直流母線電為輸入電壓3/()倍（為Boost升壓電路占空比）。相比其他逆變電路其控制簡單，開關管的電壓應力小、母線電容電壓應力小有效的增大了系統的穩定性及其能量密度。

1 七電平逆變器工作原理介紹

圖1所示為本文提出的七電平逆變器拓撲結構。其包括主電路和輔助電路。電感1、二極管D1及開關管S1構成Boost升壓主電路，S10—S13構成全橋單相逆變主電路。輔助電路由8個開關管（S2—S8）與3個電容（2—3）組成。當系統處于穩定狀態時輸出電壓決定于系統的調制比a。輸出電壓ab有7種運行狀態：3boost t、2boost、boost、0、-3boost t、-2boost、-boost。電壓boost為前端Boost電路的輸出。其中，boost=in×1/(1-)，為Boost升壓電路占空比。因此全橋逆變輸出電壓最大時為輸入直流電壓的3×(1-)倍，1＞＞0。

圖1 本文提出的七電平逆變拓撲結構

圖1所示逆變器輸出電壓可直接由Boost電路中開關管S1的占空比決定。在此假設逆變器SPWM調制比為a，則逆變器輸出電壓out-max可由式（1）得出，即

因此在Ma為常數時逆變器輸出電壓的最大值可直接通過調節Boost電路占空比完成。系統控制方法如圖2所示。

開關管的開關狀態與輸出電壓之間的關系見表1。其中Boost升壓電路可獨立工作。

表1 開關狀態與輸出電壓關系表

如表1所示，本系統七電平逆變器由7種狀態交替變換完成。H橋輸出波形如圖3所示。

圖3 H橋輸出波形

當在正半周開關管工作狀態為ABBA時H橋輸出電壓等級為+1，工作狀態為BCCB時H橋輸出電壓等級為+2，工作狀態為CDCD時，H橋輸出電壓等級為+3。當在負半周輸出電壓等級為-1、-2、-3時，開關管的工作狀態分別為EFFE、FGGF和GHGH。其輸出經過LC濾波電路可得完整的正弦交流電。

2 工作狀態分析

本文設計的七電平逆變器其不同電平狀態主要由開關管S2—S9及電容2、3與4完成。通過變換開關管的開通狀態改變電容的串并聯結構，可實現改變母線電壓的功能。圖4分別展示了7種狀態時電路的工作原理。狀態A和E表示輸出為0時的狀態、狀態B和F表示輸出為±1時的狀態、狀態C和H表示輸出為±2時的狀態、狀態D和G表示輸出為±3時的狀態。7個輸出狀態形成一個工頻交流周期。

狀態A：開關管S1導通，輸入電壓in向電感1儲存能量。開關S10與S12導通，輸出電壓ab為0。電容2、3、4能量保持不變。

狀態B：開關S1關斷，輸入電壓in與電感1同時向H橋提供能量。開關S2、S4、S5、S7、S8、S9導通。電容2、3、4并聯其兩端電壓均被充滿至boost，此時母線電壓等于boost。開關S10與S13導通，輸出電壓為boost。

狀態C：開關S3、S5、S7、S8、S10導通。電容2、3串聯同時4斷開，母線電壓等于2boost。開關S10與S13導通，輸出電壓為2boost。

狀態D：開關S3、S5、S6導通。電容2、3、4串聯，母線電壓等于3boost。開關S10與S13導通，輸出電壓為3boost。

狀態E：開關管S1導通，輸入電壓in向電感1儲存能量。開關S11與S13導通，輸出電壓ab為0。電容2、3、4能量保持不變。

狀態F：開關S1關斷，輸入電壓in與電感1同時向H橋提供能量。開關S2、S4、S5、S7、S8、S9導通。電容2、3、4并聯其兩端電壓均被充滿至boost，此時母線電壓等于boost。開關S11與S12導通，輸出電壓為-boost。

狀態G：開關S3、S5、S7、S8、S10導通。電容2、3串聯同時4斷開，母線電壓等于2boost。開關S11與S12導通，輸出電壓為-2boost。

狀態H：開關S3、S5、S6導通。電容2、3、4串聯，母線電壓等于3boost。開關S11與S12導通，輸出電壓為-3boost。

3 電路設計與仿真

為驗證本系統的可行性，本文使用PSIM搭建主電路仿真模型，并根據以上工作狀態分設計合理的邏輯分析時序。圖5所示為主開關管的PWM生成邏輯圖。

圖5 開關管PWM信號產生邏輯圖

高頻載波信號為三角波，其頻率直接控制開關管的斬波頻率。高頻斬波信號是與載波信號相同的方波，占空比為50%。通過以上邏輯電路各開關管PWM信號仿真波形如圖6所示。

圖1所示主拓撲結構。其電路仿真參數見表2。

通過表2所示設計電路參數其仿真結果如圖7所示。H橋輸出電壓由7個狀態交替完成，負載電壓經過LC濾波電路輸出平滑。當輸出電壓為在最高點時，輸出電壓峰值為3倍Boost。此時母線電容由2、3和4串聯形成，母線電容降低為原來的1/3。因此電容電壓會以3倍速度迅速下降，從而H橋輸出電壓波形會形成凹陷。如圖7所示在輸出電壓達到峰值時H橋輸出電壓出現凹陷。為使輸出較好的電壓波形可適當增大電容值，減小電壓凹陷的幅值。以表2所示的仿真參數通過PSIM仿真并對輸出電壓做分析可知：≈1.5%（如圖7所示）。

圖6 開關管門級PWM信號

表2 電路仿真參數

圖7 主拓撲結構仿真波形

用于倍壓的電容2、3與4端電壓震蕩較小。為使減小電容端電壓震蕩可適當增加開關頻率，與此同時，增大開關頻率以減小電容與電感值，可減小其尺寸進而增大系統的功率密度。

文獻[14]中提出類似的方法實現多電平逆變器，其電容選擇可根據式（2）得出。

式中，為母線電容值；為電荷量，可用式（3）得出、dc為母線電壓。

表3 開關管電壓應力

表3所示為各開關管的電壓應力。相比于傳統的多電平逆變器該拓撲結構減小了部分開關管的電壓應力，因此可有效減小其開關損耗，減小系統損耗增大了系統的穩定性。

4 結論

本文設計了一種針對直流輸入電壓較低時一種多電平并網逆變器。由于輸入直流電壓較低，因此采用了Boost與倍壓電路相結合以提升母線電壓至有效值。同時為使減小系統，采用七電平交替實現逆變功能。由于輸入電壓小，因此開關管承受的電壓應力小，不僅減小了開關管的開關損耗，同時還增加了系統的穩定性。最終通過PSIM搭建仿真模型通過仿真驗證了系統的可行性。最后本拓撲結構不僅能適用于傳統的多電平逆變器，更適合于低電壓輸入的逆變器，如光伏、超級電容等輸出電壓低的大儲能系統。

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The design and simulation of 7-level single phase inverter based on doublers circuit

Fu Yongsheng1Huang Haibo1Hu Wenting2Lei Ming2

(1. Xi’an Technological University, Xi’an 710021; 2. Hubei University of Automotive Technology, Shiyan, Hubei 442002)

The paper focus on the problem of higher THD of inverter, a novel seven level single-phase inverter topology was proposed. A seven-level inverter was realized based on adjusting the DC bus voltage which is controlled by switch the Mosfets. Compared with the traditional seven-level inverter, the topology used fewer switched and reduces the voltage stress of some of switches to xx switching loss and improve the stability of the system effectively, meanwhile the wide range of voltage gain of the system can higher up to 3～30 times of input DC voltage, it's especially use for inverter with lower DC input. Finally, the paper validates the feasibility of the system by simulation mode of PSIM.

doublers circuit; multilevel; inverter; voltage gain

2018-03-31

付永升（1987-），男，陜西西安人，碩士，助教，主要從事控制與檢測、寬帶隙半導體的應用、DC/DC、AC/DC變換器及DC/AC逆變器等電源系統設計工作。