劉俊峰 祝祥開 曾君

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)多電平逆變器存在的功率器件電壓應(yīng)力高以及電容電壓平衡困難的問題，提出一種七電平逆變器拓?fù)洹２捎猛鄬盈B脈寬調(diào)制策略，研究了開關(guān)電容技術(shù)與傳統(tǒng)多電平逆變器結(jié)構(gòu)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)七電平電壓輸出。所提七電平逆變器后端不使用全橋結(jié)構(gòu)得到負(fù)電平，開關(guān)器件的電壓應(yīng)力小;電容電壓能實(shí)現(xiàn)自均衡，無需使用傳感器檢測(cè)電容電壓，避免了復(fù)雜的控制策略和額外的控制回路;可以工作在不同調(diào)制因數(shù)下;可通過級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)更多的輸出電平。討論了逆變器的工作原理、調(diào)制策略以及器件電壓應(yīng)力，設(shè)計(jì)了仿真與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：多電平逆變器;開關(guān)電容;電壓自均衡;低電壓應(yīng)力;脈寬調(diào)制

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.012

中圖分類號(hào)：TM 464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2020）03-0097-09

Abstract：To solve the problems of high voltage stress in power devices and capacitor voltage unbalance in the traditional multilevel inverter， a sevenlevel inverter topology is proposed. Phase disposition pulse width modulation was adopted for the topology. The combination of switched capacitor technology and the traditional multilevel inverter was studied to synthesize seven levels. The proposed topology can generate negative levels without using Hbridge， and has reduced blocking voltage. The voltage of capacitors can be selfbalanced without using complex control algorithm and additional control circuit. The proposed topology is a sensorless configuration. Additionally， the proposed inverter can be operated under different modulation indexes， and output more levels by using the cascade construction. The working principle， modulation strategy and voltage stress of the power devices were discussed. Simulation and experimental prototypes were designed to verify the theoretical analysis results.

Keywords：multilevel inverter; switched capacitor; voltage selfbalance; lowvoltage stress; pulse width modulation

0 引 言

近年來，多電平逆變器發(fā)展成為重要的電力電子裝置，廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)能等新能源系統(tǒng)中[1-3]。相比于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，多電平逆變器具有以下優(yōu)勢(shì)：更多的電平輸出;更低的功率器件應(yīng)力;更低的電磁干擾;更高的效率;更小的總諧波失真（total harmonic distortion， THD）等[3]。

傳統(tǒng)的多電平逆變器可以分為三類：二極管箝位（neutral pointclamped inverter，NPC）[4-5]，飛跨電容（flying capacitor inverter， FC）和級(jí)聯(lián)H橋（cascaded hbridge，CHB）[6]。當(dāng)輸出較多電平時(shí)，NPC需要大量的箝位二極管以及開關(guān)管，并且存在電容的平衡問題[7]。FC輸出N電平時(shí)，需要NSymbolm@@1個(gè)單元，需要大量電容，這使得系統(tǒng)成本的提升。在低頻應(yīng)用中，電容需要更大的容量，此時(shí)NPC比FC更具有優(yōu)勢(shì)[8]。相比于NPC和FC，CHB不需要箝位二極管，器件的應(yīng)力小，但需要多個(gè)獨(dú)立的輸入電源[9]。文獻(xiàn)[10]提出一個(gè)通用的多電平逆變器拓?fù)?，該拓?fù)渚哂须妷鹤云胶饽芰?，每個(gè)電容電壓可以自均衡，不需要額外的輔助回路。NPC以及FC均可以從通用拓?fù)渲型茖?dǎo)出來，但是通用拓?fù)湫枰罅康墓β势骷?/p>

為了進(jìn)一步減少THD，輸出更多電平，減少開關(guān)應(yīng)力，文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[11-13]在傳統(tǒng)逆變器基礎(chǔ)上，提出了一系列混合逆變器。文獻(xiàn)[11]提出有源中點(diǎn)箝位（active neutralpointclamped， ANPC）混合逆變器，結(jié)構(gòu)上結(jié)合NPC和FC，具有NPC的魯棒性以及FC的靈活性。文獻(xiàn)[12]提出一個(gè)五電平逆變器，結(jié)合飛跨電容以及H橋結(jié)構(gòu)，利用冗余的狀態(tài)控制電容電壓平衡，功率器件的應(yīng)力減少。文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[13]提出的逆變器對(duì)文獻(xiàn)[12]的結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，輸出更多的電平，并且具備容錯(cuò)能力。以上提到的混合逆變器需要使用傳感器檢測(cè)電容電壓，依靠冗余的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡。文獻(xiàn)[14-15]提出了無傳感器的混合逆變器，不使用傳感器，依靠冗余的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電容電壓的自平衡，但是這些混合逆變器不具備升壓的能力，輸出電壓幅值不高于輸入電壓。