半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制方法

葉滿園，康 翔，李 宋

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，南昌 330013）

半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制方法

葉滿園，康 翔，李 宋

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，南昌 330013）

針對半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了與之相適應(yīng)的調(diào)制方法。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的H橋級聯(lián)多電平逆變器相比，在基本單元級聯(lián)數(shù)目相同的條件下，具有輸出更多電平等級，減少電力電子開關(guān)器件數(shù)目等優(yōu)點。以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對兩種不同的調(diào)制方法進(jìn)行了理論分析和仿真驗證。仿真結(jié)果驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性及其調(diào)制方法的可行性。

半橋；級聯(lián)單元；多電平逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；調(diào)制方法

Abstract:Considering the topology of a cascaded multilevel inverter with a half H-bridge，a modulation method is pro?posed in this paper.Compared with the traditional cascaded multilevel inverter with an H-bridge，the proposed struc?ture can output more levels and reduce the number of switching devices under the condition where the numbers of basic cascaded units are equal.With three symmetric power units and two asymmetric power units being taken as two exam?ples，two different modulation methods are analyzed theoretically and verified through simulations.Simulation results verify the advantage of the proposed topology and the feasibility of the corresponding modulation method.

Key words:half H-bridge；cascaded unit；multilevel inverter；topology；modulation method

級聯(lián)多電平逆變器是中壓大功率傳動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一[1-3]，有相電壓冗余、諧波含量低、易于模塊化設(shè)計制造等優(yōu)點。級聯(lián)多電平逆變器每個功率單元都需要獨立的直流電源，適合于太陽能電池和燃料電池等供電的系統(tǒng)[4-6]。級聯(lián)多電平逆變器有相電壓冗余、諧波含量低、易于模塊化設(shè)計制造等優(yōu)點，但也存在一些問題。其中一個最大的缺點就是需要數(shù)量巨大的電力電子開關(guān)器件，并且每個開關(guān)器件都需要一個與之相關(guān)的門極驅(qū)動電路和保護(hù)電路，導(dǎo)致整個系統(tǒng)非常昂貴和復(fù)雜。因此，級聯(lián)多電平逆變器在輸出相同電平數(shù)電壓時，減少所用開關(guān)器件的數(shù)目有利于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡潔高效。針對這一問題，文獻(xiàn)[7]提出了一種半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用半橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行級聯(lián)，以更少的開關(guān)器件實現(xiàn)了多電平輸出。

1 半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖1為半橋級聯(lián)多電平逆變器的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入電壓Uin（1）＝Uin（2）＝…＝Uin（n）時，稱為對稱型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入電壓Uin（1）≠Uin（2）≠…≠Uin（n）時，稱為非對稱級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

針對這種級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出了與之相適應(yīng)的調(diào)制方法。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的H橋級聯(lián)多電平逆變器相比，在基本單元級聯(lián)數(shù)目相同的條件下，具有輸出更多電平等級，減少電力電子開關(guān)器件數(shù)目等優(yōu)點。以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對不同的兩種調(diào)制方法進(jìn)行了理論分析和仿真驗證。

圖2為對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3個單元輸入電壓分別為Uin（1）、Uin（2）和Uin（3），且Uin（1）＝Uin（2）＝Uin（3）＝E，對應(yīng)輸出電壓為u1、u2、u3。由于逆變器單元之間是串聯(lián)關(guān)系，逆變器總輸出電壓uo可表示為

圖1 半橋級聯(lián)多電平逆變器A相Fig.1 A-phase cascaded multilevel inverter with half H-bridge

圖2 對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of seven-level inverter composed of three symmetric units

單元輸出電壓uk可以表示為開關(guān)函數(shù)Mk與其輸入電壓Uin（k）的乘積，即

在圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個H橋單元，合理控制H橋單元開關(guān)器件的通斷，就能實現(xiàn)對稱的反向電壓輸出，從而構(gòu)成完整的三單元七電平對稱逆變器A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。三單元七電平對稱逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用兩種不同類型的開關(guān)器件，其基本單元采用開關(guān)頻率較高的開關(guān)器件，如絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated gate bipolar tran?sistor），H橋單元采用耐壓值較高的開關(guān)器件，如閘門電路斷開GTO（gate-turn-off）晶閘管。

圖3 對稱的三單元七電平逆變器A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 A-phase topology of seven-level inverter composed of three symmetric units

圖4為非對稱的兩單元七電平逆變器A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個單元輸入電壓分別為Uin（1）和Uin（2），且2Uin（1）＝Uin（2）＝2E。第1單元（低壓單元）的開關(guān)器件采用IG?BT，第2單元（高壓單元）和H橋單元則采用GTO。

圖4 非對稱的兩單元七電平逆變器A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 A-phase topology of seven-level inverter composed of two asymmetric units

2 半橋級聯(lián)多電平逆變器PWM調(diào)制方法

對于對稱的三單元七電平逆變器基本單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用的脈寬調(diào)制PWM（pulse width modu?lation）方法如圖5所示。

其中，第1單元開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號由調(diào)制波um與三角載波uc1相交產(chǎn)生；第2單元開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號由調(diào)制波um與三角載波uc2相交產(chǎn)生；第3單元開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號由調(diào)制波um與三角載波uc3相交產(chǎn)生。

對于非對稱的兩單元七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用的PWM方法原理如圖6所示。

其中，調(diào)制波um與三角載波uc1相交，產(chǎn)生邏輯信號y1；調(diào)制波um與三角載波uc2相交，再取“非”，產(chǎn)生邏輯信號；調(diào)制波um與三角載波uc3相交，產(chǎn)生邏輯信號y3；將邏輯信號y1和邏輯信號作“與”運(yùn)算，產(chǎn)生邏輯信號y；然后再將邏輯信號y與邏輯信號y3作“或”運(yùn)算，最終產(chǎn)生第1單元（低壓單元）開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號。第2單元（高壓單元）開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號由調(diào)制波um與三角載波uc2相交產(chǎn)生。

圖5 對稱的三單元七電平逆變器基本單元PWM方法Fig.5 PWM method for the basic units in seven-level inverter composed of three symmetric units

圖6 非對稱的兩單元七電平逆變器基本單元PWM方法Fig.6 PWM method for the basic units in seven-level inverter composed of two asymmetric units

由兩種調(diào)制方法可知，對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器最終輸出的相電壓和線電壓波形相同，其達(dá)到的輸出效果與傳統(tǒng)的三單元七電平H橋級聯(lián)逆變器正負(fù)反向?qū)盈B式POD（phase opposition disposition）調(diào)制方法[8]本質(zhì)相同。如圖7所示，um為調(diào)制波，和為三角載波。POD調(diào)制方法的特點是位于基準(zhǔn)正弦波正半周的三角載波相位相同，負(fù)半周的三角載波與正半周的三角載波關(guān)于中軸線對稱。

圖7 傳統(tǒng)的三單元七電平H橋級聯(lián)逆變器POD調(diào)制方法Fig.7 POD modulation method for traditional seven-level cascaded inverter composed of three units with H-bridge

以三角載波作為參考建立直角坐標(biāo)系，設(shè)基準(zhǔn)正弦波為

式中：ma為基準(zhǔn)正弦波幅值與三角載波最大幅值的比值；ωm、φ為基準(zhǔn)正弦波的角頻率和初始相位角。

令頻率調(diào)制比mf=fc/fm=ωc/ωm=N。POD調(diào)制方法的輸出相電壓和線電壓中的諧波主要都為以mf及其整數(shù)倍次為中心的邊帶諧波。

3 仿真實驗驗證

為了證明本文所提出的半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制方法的正確性，以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，在MAT?LAB/Simulink平臺上分別進(jìn)行了仿真實驗。仿真參數(shù)如下：直流側(cè)輸入電壓E=100 V；負(fù)載R=1 Ω，L=0.01 H；正弦調(diào)制波頻率f=50 Hz；三角波頻率fc1=fc2=fc3=fc，頻率調(diào)制比mf=fc/fm=120；幅度調(diào)制比ma=0.9。

圖8和圖9分別為對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓及其各個單元電壓的輸出波形。從圖8和圖9中可知，兩種調(diào)制方法控制下的逆變器線電壓和相電壓的輸出波形完全相同。

圖10為對稱的三單元七電平逆變器和非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓的諧波頻譜。從頻譜圖中可知，相電壓的諧波分布主要以120次、240次等（mf的整數(shù)倍）為中心的邊帶諧波，而線電壓中不包含3的整數(shù)倍次諧波，諧波總失真THD（total harmonic distortion）含量降低。

圖8 對稱的三單元七電平逆變器線電壓、相電壓和各個單元電壓的輸出波形（ma=0.9）Fig.8 Output waveforms of line voltages and phase voltages for seven-level inverter composed of three symmetric units，and output waveforms of voltage for each unit（ma=0.9）

圖9 非對稱的兩單元七電平逆變器線電壓、相電壓和各個單元電壓的輸出波形（ma=0.9）Fig.9 Output waveforms of line voltages and phase voltages for seven-level inverter composed of two asymmetric units，and output waveforms of voltage for each unit（ma=0.9）

圖10 輸出線電壓和相電壓諧波頻譜（ma=0.9）Fig.10 Harmonic spectrums of output line voltage and output phase voltage（ma=0.9）

4 結(jié)論

本文針對半橋級聯(lián)多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元為例，分別對不同的兩種調(diào)制方法進(jìn)行了理論分析和仿真驗證，得出以下結(jié)論：

（1）對于半橋級聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真實驗驗證了在所用開關(guān)器件數(shù)量較少的前提下，可以輸出較多電平數(shù)的電壓，輸出電壓諧波含量低、波形質(zhì)量高；

（2）對于半橋級聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真實驗驗證了與對稱的3個功率單元和非對稱的兩個功率單元相適應(yīng)的調(diào)制方法的正確性和高效性。

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Topology of Cascaded Multilevel Inverter with Half H-bridge and Its Modulation Method

YE Manyuan，KANG Xiang，LI Song
（School of Electrical and Automation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

TM464

A

1003-8930（2017）09-0061-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.010

2015-12-07；

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項目（51767007）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（20161BAB206157）；江西省自然科學(xué)工業(yè)科技支撐計劃資助項目（20161BBE50057）；江西省教育廳資助項目（GJJ160495）

葉滿園（1978—），男，博士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：yemanyuan1@163.com

康 翔（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：1138307636@qq.com

李 宋（1977—），女，碩士，副教授，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：jxlisong1@163.com