岳 舟，劉小荻，姚紹華，周 勇

一種基于開關(guān)電容的單電源升壓型六電平逆變器

岳 舟，劉小荻，姚紹華，周 勇

(湖南人文科技學(xué)院能源與機電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

針對現(xiàn)有開關(guān)電容型多電平逆變器存在拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件數(shù)量較多、電容電壓不平衡以及電壓應(yīng)力較大等缺點，提出一種新型的基于開關(guān)電容的六電平逆變器。該電路拓撲由6個功率開關(guān)、1個直流電壓源和3個電容組成，可以產(chǎn)生2.5倍升壓增益的六電平輸出電壓。此外，由于電容由輸入直流電壓源直接充電至固定電壓，因此電容電壓能夠?qū)崿F(xiàn)自動平衡。對所提逆變器的工作原理、PWM調(diào)制策略以及電路參數(shù)等方面進行詳細分析，同時還對該逆變器與現(xiàn)有多電平逆變器進行了對比研究。最后采用Matlab軟件建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗證了所提電路的有效性和可行性。

六電平逆變器；開關(guān)電容；單電源；升壓逆變器

0 引言

近年來，可再生能源系統(tǒng)中多電平電壓源逆變器的研究與應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。其主要原因是多電平電壓源逆變器[1-2]比傳統(tǒng)的兩電平電壓源逆變器具有明顯的優(yōu)勢，例如高質(zhì)量的輸出波形、半導(dǎo)體器件較低的阻斷電壓額定值、更小的濾波器以及低電磁干擾(EMI)等。然而，傳統(tǒng)的多電平電壓源逆變器，包括中性點箝位(NPC)[3-4]、級聯(lián)H橋(CHB)[5-6]和飛跨電容(FC)逆變器[7]，都是降壓變換器，其輸出交流電壓峰值低于輸入直流電壓。此外，還需要大量的直流鏈路電壓源或大量的半導(dǎo)體器件才能產(chǎn)生更高電平的輸出電壓。對于低輸入電壓變換為高輸出交流電壓的可再生能源系統(tǒng)應(yīng)用，已將阻抗網(wǎng)絡(luò)[8]或DC-DC升壓變換器[9-10]添加到傳統(tǒng)多電平逆變器中，以提供升壓功能。但添加的這些功率變換電路使用了更多的半導(dǎo)體器件以及無源元件，會帶來更高的損耗及成本。

近年來，已經(jīng)開發(fā)出許多具有升壓能力和減少元件數(shù)量的多電平逆變器[11-12]。文獻[11]通過將開關(guān)電容技術(shù)集成到傳統(tǒng)CHB多電平逆變器中，引入了1種混合多電平逆變器。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，使用由1個電容、2個開關(guān)和1個二極管組成的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)來提高輸入電壓。文獻[12-15]提出了基于開關(guān)電容的七電平逆變器，其輸出電壓電平高達輸入電壓的3倍。此外，所有電容直接從輸入電壓源充電。因此，電容上的電壓應(yīng)力相同，使得電壓平衡容易。文獻[16]通過將H橋與新型開關(guān)電容單元集成，提出了一種具有自平衡的升壓開關(guān)電容多電平逆變器。這種拓撲結(jié)構(gòu)能夠用1個直流電源提供9個電壓電平。然而，該拓撲僅提供低電壓增益。此外，由于串聯(lián)的兩個電容具有不同的放電速率，使得這2個電容電壓不平衡。文獻[17]對文獻[16]提到的拓撲結(jié)構(gòu)進行了改進，以限制半導(dǎo)體器件上的電壓應(yīng)力。然而，這種拓撲結(jié)構(gòu)存在電壓增益較低和電壓不平衡的問題。與文獻[16-17]類似，文獻[18]提出的升壓開關(guān)電容多電平逆變器使用單個直流電源能夠提供多達9個電壓電平，并且其最大電壓電平是在輸入電壓的2倍時實現(xiàn)的。文獻[19]提出了一種新型開關(guān)電容九電平逆變器，其輸出電壓電平高達輸入電壓的4倍。然而，如文獻[16-17, 19]所述，這些拓撲結(jié)構(gòu)的局限性包括半導(dǎo)體器件上的高壓應(yīng)力以及在三相拓撲中使用大量隔離直流電源。然而，如文獻[11-19]中所述，太陽能光伏(PV)系統(tǒng)[20-21]中的泄漏電流問題尚未解決。因此，要使這類拓撲適合光伏應(yīng)用，需要一種有效的方法來降低其泄漏電流。

最近，一些文獻中提出了幾種基于公共接地[22-27]和半橋電容概念[28-31]的開關(guān)電容型多電平逆變器，以減少泄漏電流?；贑HB結(jié)構(gòu)，文獻[22]提出了一種具有公共接地的單電源開關(guān)電容多電平逆變器以消除泄漏電流。該逆變器使用1個直流電源可以提供7個電壓電平，其最大電壓電平為輸入電壓的3倍。然而，與傳統(tǒng)的多電平逆變器類似，這種拓撲的主要缺點是使用大量的半導(dǎo)體器件和電容來產(chǎn)生多個輸出電壓電平。與文獻[22]類似，文獻[23]提出了一種帶公共接地的開關(guān)電容九電平逆變器。在這種情況下，電源電路使用許多半導(dǎo)體器件。文獻[24-25]討論了兩種帶公共接地的開關(guān)電容五電平逆變器。在這些拓撲中，PV的負極端子和電網(wǎng)中性線直接連接，其結(jié)果是共模電壓被鉗制為0。然而，這些拓撲缺乏電壓提升能力，其峰值輸出電壓低于輸入電壓。文獻[26]提出了一種新型的帶公共接地的開關(guān)電容七電平逆變器，該拓撲結(jié)構(gòu)使用1個直流電源提供7個電壓電平，其最大電壓電平達到輸入電壓的3倍。然而，該拓撲包含不平衡電壓，因為4個電容以不同電平電壓充電。文獻[27]討論了具有泄漏電流限制能力和減少元件數(shù)量的開關(guān)電容九電平逆變器，在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，PV的正極端子和電網(wǎng)中性線直接連接。因此，共模電壓保持恒定。與文獻[26]類似，該拓撲也包含不平衡電壓。文獻[28-30]介紹了幾種開關(guān)電容型七電平逆變器，兩個去耦直流鏈路電容的中點直接連接電網(wǎng)中性線。因此，共模電壓保持恒定。然而，這些拓撲的電壓增益較低。文獻[31]介紹了一種具有泄漏電流限制能力和減少元件數(shù)量的開關(guān)電容四電平逆變器。與其他開關(guān)電容多電平逆變器拓撲類似，該拓撲存在電壓增益低的問題，峰值輸出電壓限制在輸入電壓的1.5倍以下。

針對上述問題，本文提出一種新的基于開關(guān)電容的六電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。所提拓撲結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生最大電壓電平為輸入電壓2.5倍的六電平輸出電壓，并且可以提供電容電壓的自平衡功能。在該逆變器中，兩個去耦直流環(huán)節(jié)電容的中點與電網(wǎng)中性線直接連接以消除泄漏電流。本文詳細討論了采用PWM控制技術(shù)的工作原理，并對其等效電路進行分析，同時還對所提逆變器與其他現(xiàn)有多電平逆變器進行了比較研究。最后，采用Matlab軟件進行了仿真研究，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 基于開關(guān)電容的六電平逆變器

將傳統(tǒng)的半橋逆變器與基于開關(guān)電容的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了一種具有升壓功能的單相混合六電平逆變器。圖1(a)為所提基于開關(guān)電容(switched- capacitor, SC)的單相六電平逆變器(six-level inverter, SLI)的拓撲結(jié)構(gòu)，本文簡稱SCSLI。該拓撲結(jié)構(gòu)由3個電容Ca、Cb、Cc、2個去耦直流鏈路電容Ci1、Ci2，4個功率開關(guān)Sa、Sb、Sc、Sd和4個功率二極管Da、Db、Dc、Dd組成。該拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)降壓或升壓的電壓轉(zhuǎn)換，并在輸出電壓端提供6個(±2.5dc、±1.5dc和±0.5dc)電壓電平。圖1(b)為所提基于SC的三相SLI的拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲可以通過在單個直流電壓源上并聯(lián)3個基于SC的SLI模塊，每相可以在輸出端生成6個電壓電平。

1.1 工作原理

所提SCSLI的工作原理可以通過不同開關(guān)狀態(tài)的6種工作模式進行分析，如表1所示。

每種工作模式的等效電路如圖2所示，具體描述如下。

工作模式1：如圖2(a)所示，開關(guān)S1和Sd導(dǎo)通，開關(guān)Sa、Sb、Sc和S2關(guān)斷。因此，二極管Dc導(dǎo)通，二極管Da、Db和Dd被阻斷。在此狀態(tài)下，電容Cc通過Udc—Sd—Cc—Dc回路由輸入直流電源充電。將存儲在電容Ca和Cb的能量釋放到負載以提高輸出電壓。SCSLI的輸出電壓(o)等于電容Ca、Cb和Ci1上的電壓之和。

工作模式2：如圖2(b)所示，開關(guān)S1、Sa和Sc導(dǎo)通，開關(guān)S2、Sb和Sd關(guān)斷。因此，二極管Da和Db導(dǎo)通，二極管Dc和Dd被阻斷。在此狀態(tài)下，電容Cb通過dc—Da—Sa—Cb—Db—Sc回路由輸入直流電源充電。電容Cc浮動，電容Ca用以提高輸出電壓。在這種情況下，輸出電壓等于電容Ca和Ci1電壓之和。

表1 6種工作模式下半導(dǎo)體器件和電容的狀態(tài)

注：“C”表示充電模式；“D”表示放電模式；“F”表示浮動模式。

工作模式3：如圖2(c)所示，開關(guān)S1、Sb和Sc導(dǎo)通，開關(guān)Sa、Sd和S2關(guān)斷。因此，二極管Dd導(dǎo)通，二極管Da、Db和Dc被阻斷。在此狀態(tài)下，電容Ca由輸入直流電源充電。2個電容Cb和Cc與電路斷開，而電容Ci1與負載并聯(lián)。因此，該逆變器的輸出電壓為電容Ci1的電壓。

工作模式4：如圖2(d)所示，開關(guān)S2和Sd導(dǎo)通，開關(guān)Sa、Sb、Sc和S1關(guān)斷。因此，二極管Dc導(dǎo)通，二極管Da、Db和Dd被阻斷?？梢钥闯?，電容Cc由輸入直流電源充電，電容Ca和Cb浮動。該逆變器的輸出電壓為負，等于電容Ci2的電壓。

工作模式5：如圖2(e)所示，開關(guān)S2、Sa和Sc導(dǎo)通，開關(guān)S1、Sb和Sd關(guān)斷。因此，二極管Da和Db導(dǎo)通，二極管Dc和Dd被阻斷。在此狀態(tài)下，電容Cb通過dc—Da—Sa—Cb—Db—Sc回路由輸入直流電源充電。電容Ca浮動，電容Cc放電。輸出電壓等于負的電容Cc電壓和負的電容Ci2電壓之和。

工作模式6：如圖2(f)所示，開關(guān)S2、Sb和Sc導(dǎo)通，開關(guān)Sa、Sd和S1關(guān)斷。因此，二極管Dd導(dǎo)通，二極管Da、Db和Dc被阻斷。此外，電容Ca由輸入直流電源充電。2個電容Cb和Cc放電。此時，該逆變器的輸出電壓等于負的電容Cc電壓、負的電容Cb電壓和負的電容Ci2電壓之和。

1.2 PWM調(diào)制策略

圖3為針對SCSLI提出的PWM調(diào)制策略。為了給所提SCSLI的開關(guān)提供PWM控制信號，將調(diào)制正弦波與5個電平移位高頻三角形波進行比較。所提PWM調(diào)整策略使用基于邏輯關(guān)系的操作為6個開關(guān)提供門極驅(qū)動信號。

圖3 PWM信號生成方案

1.3 電容的選擇

與現(xiàn)有的單相開關(guān)電容多電平逆變器類似，所提SCSLI在每個電容中也具有低頻紋波，這導(dǎo)致效率降低，并增加功率變換的THD。從圖1可以看出，SCSLI輸出電流被平均分割為2個解耦的直流鏈路電容Ci1和Ci2。因此，Ci1和Ci2的電壓約為輸入電壓的一半。電容Ci1和Ci2的最大放電量如式(7)表示。

式中，是輸出電壓參考信號的周期。

可以計算出Ci1和Ci2的最佳電容為

在計算電容Ca、Cb和Cc的電壓紋波時，考慮了3個電容的最長放電周期。由于是對稱操作，Ca和Cc的最長放電時間與表1中突出顯示的時間相同。此外，電容Ca的最長放電時間從2到4(開關(guān)狀態(tài)模式1和模式2)，如圖4所示，時間間隔2和4的計算公式為

式中，和分別是輸出電壓的基頻和調(diào)制指數(shù)。

電容Ca和Cc的最大放電量可表示為

根據(jù)式(8)和式(10)，Ca的最佳電容計算公式為

求解式(12)，Cb的最佳電容計算公式為

根據(jù)文獻[32-33]，對于純電阻負載條件，電容的最大放電量計算公式為

對于阻感負載條件，所提SCSLI輸出電流為

電容的最大放電量計算公式為

可以看出，電容的最大放電量與輸出電流的峰值以及輸出電壓和輸出電流之間的相位差有關(guān)。

由1.1節(jié)對所提六電平逆變器工作原理的分析和表 1 所示的功率開關(guān)和電容狀態(tài)可知，電容 Ca、Cb和Cc在輸出電壓的1個周期內(nèi)均交替工作在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)。Ca在輸出電平為-2.5dc和+0.5dc時與直流電源并聯(lián)充電，而在輸出電平為+2.5dc時與直流電源串聯(lián)后一起向負載放電；Cc在輸出電平為+2.5dc和-0.5dc時與直流電源并聯(lián)充電，而在輸出電平為-2.5dc和-1.5dc時與直流電源串聯(lián)后一起向負載放電；Cb在輸出電平為+1.5dc和-1.5dc時與直流電源并聯(lián)充電，而在輸出電平為+2.5dc和-2.5dc時與直流電源串聯(lián)后一起向負載放電?？梢?，在輸出電壓的1個周期內(nèi)，電容Ca、Cb和Cc均多次與直流電源串聯(lián)充電，使得它們的電壓均能動態(tài)保持在輸入直流電源電壓(這里為0.5dc)的幅值并自動實現(xiàn)平衡。

1.4 與其他多電平逆變器的比較

表2將所提SCSLI與其他多電平電壓源逆變器進行了比較，主要從元件器數(shù)量、電壓電平數(shù)、升壓能力、開關(guān)數(shù)與電壓電平數(shù)的比率(開關(guān)/電平比)、充電路徑中的最大開關(guān)數(shù)、開關(guān)的總持續(xù)電壓(TSV)、開關(guān)的最大持續(xù)電壓(MSV)、三相拓撲具有單電源能力以及消除泄漏電流能力等方面進行對比。文獻[16-17, 19]中的開關(guān)電容型九電平逆變器具有升壓能力，并在不消除泄漏電流的情況下在輸出端產(chǎn)生九電平。此外，三相拓撲需要多個隔離直流電源，而所提SCSLI僅需要單個直流電壓源。文獻[15]中的開關(guān)電容型七電平逆變器可以實現(xiàn)電壓提升，在不能消除泄漏電流的情況下產(chǎn)生七電平輸出。其每級變換比也是最高的，但三相電源需要多個隔離直流電源。文獻[15]中的拓撲TSV為16dc，而所提逆變器的TSV為11dc。與文獻[15]相比，所提逆變器的MSV高于文獻[15]中的MSV。與文獻[16]的開關(guān)電容型九電平逆變器相比，所提SCSLI多使用3個二極管、4個開關(guān)和3個電容。與文獻[17, 19]中的拓撲相比，所提SCSLI使用了4個以上的二極管、6個以下的開關(guān)和2個以上的電容。表2表明，文獻[22]討論的多電平電壓源逆變器需要17個開關(guān)，在輸出端產(chǎn)生9個電平，同時可以消除泄漏電流，而所提SCSLI拓撲只需要6個開關(guān)。因此，所提逆變器的開關(guān)/電平比低于文獻[22]中拓撲的開關(guān)/電平比。

如表2所示，文獻[23]討論的多電平電壓源逆變器需要13個開關(guān)，而所提SCSLI只需要6個開關(guān)。文獻[24-25, 29]中的拓撲需要有源和無源元件數(shù)量低于所提的SCSLI拓撲。然而，這3種拓撲不具有升壓能力。此外，文獻[24]討論的多電平電壓源逆變器需要多個隔離直流電源作為三相電源。與文獻[23]的多電平電壓源逆變器類似，文獻[25-30]的拓撲可以消除泄漏電流，并且在單相和三相拓撲中只需要1個直流電壓源。文獻[26]提出的拓撲每級變換比最低，僅為0.86。與文獻[27]相比，所提拓撲的TSV更低。與所提拓撲類似，文獻[26-27]的單相和三相拓撲中需要單個直流電壓源。此外，所提SCSLI拓撲可以提供2.5倍的電壓增益，而文獻[28, 30]的拓撲只能提供1.5倍的電壓增益。與文獻[30]的開關(guān)電容型九電平逆變器相比，所提SCSLI拓撲多使用4個二極管、4個開關(guān)和1個電容。所提的SCSLI拓撲與文獻[23-30]的拓撲一樣能夠消除泄漏電流。

表2 SCSLI與其他類似多電平逆變器的比較

注：“TSV”表示開關(guān)的總持續(xù)電壓；“MSV”表示開關(guān)的最大持續(xù)電壓。

2 仿真驗證

圖5 單位功率因數(shù)條件下的仿真結(jié)果

當(dāng)所提SCSLI分別為阻感負載(40W+ 85 mH)和純電阻負載(40W)供電時，其輸出電壓和負載電流波形如圖7所示，所提逆變器提供了在交流側(cè)傳輸無功功率的能力。

圖6 不同調(diào)制指標下的仿真結(jié)果

圖8分別是在三相純電阻負載和阻感負載(40W-100 mH/相)情況下的輸出相電壓、輸出線電壓和負載電流波形。從圖8可以看出，所提逆變器在使用單個直流電壓源的情況下實現(xiàn)了三相輸出。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于開關(guān)電容的單相六電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和三相拓撲結(jié)構(gòu)，并詳細闡述了兩種拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理。與類似多電平逆變器對比，證實了所提逆變器的優(yōu)點。仿真分析驗證了所提電路的可行性。該拓撲結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生六電平輸出電壓，從而減小輸出濾波器的尺寸。此外，該拓撲具有升壓能力，最大電壓電平為輸入電壓的2.5倍。與所提逆變器的單相拓撲類似，使用單個直流電壓源對三相拓撲中的所有電容充電。在單相和三相拓撲中使用單個直流電壓源以及電容電壓的自平衡特性是其另一個優(yōu)點。此外，泄漏電流是光伏應(yīng)用中的關(guān)鍵因素之一，在該逆變器中可以得到有效地衰減。然而，該逆變器的缺點是不能產(chǎn)生零電壓電平。

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A single supply boost six-level inverter based on a switched-capacitor

YUE Zhou, LIU Xiaodi, YAO Shaohua, ZHOU Yong

(College of Energy, Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Humanities,Science and Technology, Loudi 417000, China)

There are problems associated with complex topologies, large numbers of devices, unbalanced capacitor voltages and high total standing voltage stresses in existing switched-capacitor based multilevel inverters. Thus a new six-level inverter based on a switched-capacitor is proposed. The proposed structure consists of six switches with a single DC voltage source and three floating capacitors. It is capable of producing a six-level output voltage waveform with a voltage boosting gain of 2.5 times. The voltages of the capacitors are constructively balanced because they are directly charged to fixed voltage by the input DC voltage source. The operating principle, PWM modulation strategy and circuit parameters of the proposed inverter are analyzed in detail. A comparative study between the proposed inverter and other existing multilevel inverter topologies is also discussed.Finally, a simulation model is established in Matlab software, and the results verify the effectiveness and feasibility of the proposed circuit.

six-level inverter; switched-capacitor; single supply; boost inverter

10.19783/j.cnki.pspc.220205

國家自然科學(xué)基金項目資助(61702182)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目資助(20B328)；湖南省創(chuàng)新訓(xùn)練項目資助(S202110553023)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61702182).

2022-02-21；

2022-04-24

岳 舟(1982—)，男，碩士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email: yuezhou2000@163.com

(編輯 姜新麗)