基于開關電容的單相九電平升壓逆變器

周曉娟，臺暢，馬麗麗

（1.河南機電職業學院，河南 新鄭 451191；2.國網安陽供電公司，河南 安陽 455000）

0 引言

多電平逆變器（Multi-level Inverter，MLI）因具有低電壓上升率[1]、低電壓諧波[2]和改善的輸出波形質量等特點，已在中、高功率可再生能源中廣泛使用[3]。但傳統MLI普遍存在復雜度高、成本高和效率低等問題。因此，設計具有低開關冗余度和低成本的MLI成為了研究的重點。

目前，為實現9電平電壓輸出，MLI基于對稱H橋均需要4個電源和8個開關管或2個直流源和12個開關管。此外，MLI基于非對稱級聯H橋不適用于隔離的直流源[3]。開關電容（Switched Capacitor，SC）單元因其結構簡單、易控制而廣泛用于MLI。SC單元技術使用串、并聯電容網絡[4]～[6]。文獻[7]提出一種基于SC單元的升壓拓撲，具備靈活且易于擴展的特點。但是，該結構存在H橋模塊使得優勢被削減。文獻[8]，[9]介紹了一簇7電平逆變器拓撲結構，該拓撲具有較低的電壓增益，其中，文獻[8]需要4個電容，文獻[9]需要12個開關管且無升壓能力。為減少開關器件數量，文獻[10]，[11]提出一簇基于SC級聯的MLI。上述方案雖通過多單元級聯和整合使得功率器件有所減少，但仍存后端H橋結構、較高的電壓應力和高的電流諧波因數（THD）。文獻[12]～[14]提出基于SC的9L-MLI，大量存在的開關器件使其效率提升受限。文獻[15]，[16]雖在功率器件數量上得到優化，但并無升壓能力，應用范圍受限。為解決傳統MLI存在無升壓能力的問題，準Z源為常用的技術之一[17]。文獻[18]中所提拓撲利用變壓器實現高的電壓增益，但均增加了逆變器的重量和尺寸。

本文提出了一種新型9階開關電容升壓式多電平變逆變器（9L-SC-BMLI）拓撲，并具備以下特點：單直流電壓源；僅12個功率器件，產生9個電壓狀態；兩倍電壓增益；SC的電壓自均衡；輸出電壓的雙極性；降低開關元件的額定電壓。

1 9 L-SC-BMLI拓撲

（1）9L-SC-BMLI拓撲的基本單元

圖1為9L-SC-BMLI拓撲的基本單元，該升壓逆變器由10個開關管、1個電容和2個二極管組成。電容用于獲得兩倍的電壓增益。9L-SCBMLI可以實現0，±0.5Vin，±Vin，±1.5Vin和±2Vin共9種電平。同時，9L-SC-BMLI直流母線電容為其相同情況下輸入電壓的一半，輸出階梯電壓為±0.5Vin和±1.5Vin。電容單獨在半周期內對稱地向負載提供能量，實現了電容電壓自均衡的目的。表1給出了不同輸出電壓等級下各開關的狀態。

圖1 9L-SC-BMLI拓撲Fig.1 9L-SC-BMLI topology

表1 9L-SC-BMLI開關狀態Table 1 Switching states of 9L-SC-BMLI

（2）N電平拓撲

圖2為所提N電平升壓逆變器拓撲。圖2（a）為變換器的基本單元，即SC單元由2個開關管、2個二極管和1個電容組成。為了獲得更高的輸出電壓和電壓增益，通過增加更多數量的SC單元作為基本單元。所提逆變器擁有較強的拓展性[圖2（b）]，其電路參數由式（1）可得。

圖2 9L-SC-BMLI的N電平結構Fig.2 N-level structure of 9L-SC-BMLI

式中：Nsw，Ngd，Nd，NC和VG分別為開關、柵極驅動器、二極管、電容器和電壓增益；N為增益。

在SC逆變器中，電容向負載放電的同時產生電壓紋波。為減少輸出電壓波形的失真，需要選擇合適的電容值，使電容電壓紋波在合理的范圍內波動。為了簡化分析，假設逆變器輸出電壓u0和輸出電流i0為純正弦波。

式中：AC為三角載波的幅值；AR為調制波的幅值。

在此區間內，輸出電壓在+2Vdc和+3Vdc快速交替輸出。根據正弦波脈寬調制（Sinusoidal PWM，SPWM）面積等效原理，C1的放電量為

式中：R為負載阻抗；M為載波調制比。

類似地，根據電容C1和C2的對稱性，C2與C1具有相同的紋波參數。

2 比較分析

為了介紹9L-SC-BMLI拓撲的特性，本文將9L-SC-BMLI與其他MLI在電平數、開關元件數量、電容數量、器件電壓應力等方面進行比較，同時總結額定功率下的電路參數、電壓增益以及升壓能力。

表2為不同拓撲的對比結果。表中包含高壓應用中的重要參數，例如拓撲的最大開關電壓應力TSV和最大阻斷電壓MBV。文獻[10]，[12]提出的拓撲均滿足9階梯電平的輸出，其中文獻[12]的拓撲具有低電壓應力，卻無升壓能力。與文獻[8]，[10]，[12]中拓撲相比，9L-SC-BMLI的開關管數量更少。文獻[9]的開關管數量較少，可以產生7電平電壓，但需要1個額外的功率二極管，僅有1.5倍的電壓增益。相比而言，9L-SC-BMLI的電壓增益高于其他拓撲。文獻[8]中的拓撲雖具有兩倍的電壓增益，但它后端并聯H橋，且存在兩個直流電源。在可靠性方面，電容是一個重要的參考因素，所提出的9L逆變器的電容器數量少于文獻[6]，[8]。文獻[10]僅需要兩個電容器，但它仍存在大量冗余的二極管和開關管。

表2 不同拓撲的比較Table 2 Comparison of different topologies

電路中總阻斷電壓值MBVpu和電路總耐壓值TSVpu計算式分別為

由表2還可以看出：9L-SC-BMLI的MBVpu明顯小于其他拓撲，雖然文獻[8]具有較低的MBVpu，但有低電壓增益，不具備升壓能力；9L-SC-BMLI的TSVpu低于文獻[6]，[9]，電壓增益也高于其他拓撲。從元件數量、電壓增益和TSVpu的角度來分析,本文提出的9L-SC-BMLI比其他拓撲更具優勢。

3 9 L-SC-BMLI的實驗結果

（1）仿真結果

為驗證9L-SC-BMLI的有效性，首先基于MATLAB平臺進行仿真驗證，選取輸入電壓為100 V。根據不同開關元件的脈沖，采用移相脈寬調制（PD-PWM）方法，基頻和載波頻率分別為50 Hz和5 kHz。仿真結果見圖3，圖中Z為總阻抗。

圖3 仿真結果Fig.3 Simulation results

由圖3（a）可知，浮動電容的紋波電壓率均小于10%，且輸出電流近似為正弦波。由圖3（b）可以看出，輸出電壓仍保持為9階梯電平，此時電容CF電壓也從100 V上升到200 V。

（2）實驗結果

基于仿真參數搭建了實驗樣機，對9L-SCBMLI拓撲負載兩端電壓和電流的實驗波形進行分析，結果如圖4所示。圖4（a）為輸入電壓為100 V，直流母線電容和浮動電容的額定值分別為450 V/2 200μF，載波頻率為5 kHz時的輸出電壓波形。可以看出，輸出電壓峰值為200 V，并且有9個階梯電平。當輸入100 V電壓進行供應時，第4級電平是輸出電壓的峰值電平，此時輸出電壓為200 V，電壓階躍為50 V。200 V的峰值電壓證實了所提出的拓撲可以輸出兩倍電壓增益。圖4（b）為負載為30Ω+100 mH時，CF的電壓、輸出電壓和負載電流的實驗波形。該條件下，負載電流的峰值為4.9 A，CF兩端電壓實現了自均衡。圖4（c）為所提9L-SC-BMLI動態調節過程，即調制指數（MI）從1.0變為0.2時，輸出電平階梯情況，其中MI為正弦參考信號峰值與載波信號的幅度比。隨著MI的減少，電平數從0.2級別變化為3，減少的電平引起負載電壓降低。此外，圖4（d）給出了當負載類型從阻-感性負載（RL）變為阻性負載（R）時，浮動電容電壓、負載電壓和電流的波形。其中，負載是30Ω的電阻和100 mH的電感組合；若干周期后，負載變為30Ω的阻性負載，輸出電壓階梯一直保持平穩的9電平。通過上述實驗結果，驗證了9L-SC-BMLI拓撲的可行性。

圖4 實驗結果Fig.4 Experimental results

圖5為輸出電流基波和各次諧波與IEEE標準的對比譜。由圖5可知，所提變換器拓撲的輸出電流諧波均滿足IEEE 1547-2018的標準。此時輸出電流總的諧波含量THD的測試結果為2.31%。

圖5 輸出電流諧波Fig.5 Output current harmonics

4 結論

本文提出了一種新型9L-SC-BMLI拓撲結構。基于開關電容單元的級聯和整合，實現電路的升壓特性，達到了兩倍的電壓增益，并且電路具有電容電壓自平衡能力。根據器件數量、電壓增益和不同的電壓應力的比較分析，9L-SC-BMLI相比于其他拓撲更具優勢。最后通過仿真和實驗結果，證明了該逆變器拓撲的可行性和正確性。