劉念洲，袁 洋

?

一種基于磁耦合的三電平逆變器拓撲

劉念洲，袁 洋

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

大功率電力電子變流裝置通常采用硬開關(guān)電壓型逆變器，逆變器中功率器件開關(guān)損耗較大、輸出電壓變化率大，對逆變器的散熱和負載的絕緣造成了較大的壓力，間接限制了逆變器的功率等級提升。本文提出了一種基于磁場耦合的三電平逆變器拓撲電路及其調(diào)制方法，負載等效開關(guān)頻率提高一倍，負載的電平跳變數(shù)也相應(yīng)增加。通過仿真和試驗測試，驗證了此電路拓撲的有效性和實用性。

磁耦合 三電平 逆變器拓撲

0 引言

基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的電壓型逆變器廣泛應(yīng)用各類電力電子裝置，然而由于功率器件自身的非理想特性，大功率硬開關(guān)逆變器通常采用2～4kHz的器件開關(guān)頻率以避免器件的熱負荷超過其耗散能力。較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致負載開關(guān)次電流較大，且該頻率位于人耳敏感聽力范圍內(nèi)，產(chǎn)生負載噪聲會降低操作者的舒適度。同時，由于功率器件高開關(guān)速度，逆變器輸出的電壓變化率往往可達數(shù)千伏每微秒，給逆變器負載的絕緣造成了較大的壓力，往往需采用體積較大的LCR型濾波器進行濾波。

本文以采用PWM技術(shù)的電壓型逆變器為研究對象，通過分析其輸出電壓的數(shù)學(xué)模型及負載上的電壓分配關(guān)系，提出了一種采用磁耦合實現(xiàn)三電平輸出的逆變器拓撲，采用該拓撲可以通過普通兩電平逆變器實現(xiàn)負載上的三電平電壓輸入，同時負載上等效開關(guān)頻率提高一倍，從而有效地降低負載側(cè)的高頻電流和電壓變化率。仿真和試驗證明了該拓撲的有效性和實用性。

1 耦合多電平電路分析

1.1 PWM逆變器負載電壓分析

基于PWM技術(shù)的電壓型逆變器輸出至負載的電壓由逆變器多個橋臂作用于負載的電壓的矢量合成，對只存在兩個橋臂的H橋逆變器，其電壓即為兩個相橋臂的參考電壓之差，其物理意義及數(shù)學(xué)表達較為簡潔，因此本文采用H橋逆變器作為基本分析單元。兩電平H逆變器電路如圖1所示。

采用單極倍頻的自然采樣的兩電平H橋逆變器輸出電壓為例進行，負載側(cè)電壓數(shù)學(xué)表達如公式(1)所示[1]。

(1)式(1)中：V—直流電壓的一半；—調(diào)制比；0—參考波頻率；ω—載波頻率；—載波初始相位角；Φ—參考波初始相位角。

圖1 兩電平H橋逆變器電路圖

分析可知，當(dāng)采用初始角度分別為1和2的兩個載波對同一參考波進行調(diào)制，逆變器輸出基波相位相同，但高頻諧波之間存在相位差，對兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波的相位差均為2(1-2)，對四倍載波頻次的邊頻帶各次諧波相位差為4(1-2)。如采用兩個參考波相位相同而載波相位不一致的H橋逆變器向同一負載供電，其高頻電流將存在相位差。

1.2具有磁耦合元件的負載電壓特性分析

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)離不開實驗實訓(xùn)場所，一方面加強校內(nèi)實驗室建設(shè)，按照工作環(huán)境和工作要求建立校內(nèi)仿真實驗室，模擬工作環(huán)境對學(xué)生進行專業(yè)實踐方面的訓(xùn)練。另一方面，積極拓展校外實踐基地，與企業(yè)、工廠等單位合作建立大學(xué)生實踐基地，將部分實踐性課程搬入實踐基地組織教學(xué)［4］。

在具有磁耦合元件的電路中，可以通過磁場耦合使不同支路的電流產(chǎn)生耦合，改變電路中負載阻抗上的電壓電流特性。本文中以如圖2所示的電路分析磁耦合元件向負載供電時負載上的電壓特性。

圖2 具有磁耦合元件的雙電源供電電路

對圖2電路列寫電路方程如公式(2)所示。

由公式(2)可以解得負載上的電壓表達式如公式(3)所示。

式(2)和式(3)中：1和2—兩個交流電源電壓；1和2—兩個交流電源電流；1和2—兩個線圈自感；12—耦合元件互感；—負載阻抗；—電源角頻率；U—負載上電壓。

當(dāng)耦合元件自感相等并且全耦合時：如兩電源同相位，負載上電壓與兩電源電壓同相位；如兩電源相位互差180°，負載上電壓為零。

采用兩個參考波相同、載波錯90°相位的兩電平H橋逆變器并聯(lián)向同一負載供電，按圖2方向串入磁性耦合元件供電則可消除負載上的兩倍載波頻次的邊頻帶各次諧波，從而達到使開關(guān)頻率加倍的效果。

本文以采用單極倍頻調(diào)制的H橋逆變器為例進行分析，但各種PWM逆變器基本原理一致，文中方法同樣適用于其它形式的PWM逆變器，僅需根據(jù)其諧波成分改變載波的初始相位可得到同樣的效果[2,3]。

2 仿真與試驗驗證

根據(jù)本文分析搭建如圖3所示仿真電路，兩H橋逆變器參考波相同，載波錯90°電角度，開關(guān)頻率為2kHz，負載電壓及頻譜分析如圖4所示。

圖 3 磁耦合逆變器仿真電路

由圖4可知負載上電壓呈三電平特性，高頻成分為4倍的開關(guān)頻次及其邊波帶，與本文分析一致。

根據(jù)仿真結(jié)果搭建實物平臺進行驗證，試驗波形如圖5所示，其中通道一為負載上電壓，通道二為一相逆變器直接輸出的電壓。 試驗結(jié)果表明逆變器直接輸出為兩電平電壓波形，而負載電壓為三電平電壓，與本文中分析及仿真結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于磁場耦合的三電平逆變器拓撲，通過兩電平逆變器得到了負載上的三電平電壓，同時使負載等效開關(guān)頻率提高一倍。采用該拓撲，可以有效地降低開關(guān)器件應(yīng)力，降低負載的絕緣壓力。仿真及試驗證明了本文所提出三電平逆變器拓撲的正確性。本文所提出的逆變器拓撲在大功率逆變器的設(shè)計中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

[1] 周克亮.電力電子變換器PWM技術(shù)原理及實踐.人民郵電出版社, 2010年2月第一版

[2] H.W.Van der Broeck and H.C. Skudelny, “Analytical analysis of the harmonic effects of a PWM ac drive,” IEEE Trans on Power Electronics, 1988, 3(2): 216-223.

[3] J.T. Boys and P.G. Handley, “Harmonic analysis of space vector modulated PWM waveforms,” IEE Proceedings (London), 1990,137(4): 197-204.

A Three-level Inverter Topology Based on Magnetically Coupling Theory

Liu Nianzhou, Yuan Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Hard-switch voltage source inverter(VSI) is generally used as high-power power electronics device. VSI generates high switching loss and dv/dt, and this limits ingrading the power-grade level of VSI. This paper puts forward a three-level inverter topology based on magnetic coupling theory and the modulating method. The output switch-frequency is doubled and the number of output voltage-level increases one level. The simulation and experiment verifies the topology.

magnetic coupling; three-level inverter; inverter topology

TM464

A

1003-4862（2016）04-0051-03

2015-12-23

劉念洲(1979-)，男，高級工程師，研究方向電力電子與電力傳動。