基于開關(guān)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(yè)學(xué)院，河南 新鄭 451191；2.國網(wǎng)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(zhì)量等特點，已在中、高功率可再生能源中廣泛使用[3]。但傳統(tǒng)MLI普遍存在復(fù)雜度高、成本高和效率低等問題。因此，設(shè)計具有低開關(guān)冗余度和低成本的MLI成為了研究的重點。

目前，為實現(xiàn)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(guān)管或2個直流源和12個開關(guān)管。此外，MLI基于非對稱級聯(lián)H橋不適用于隔離的直流源[3]。開關(guān)電容（Switched Capacitor，SC）單元因其結(jié)構(gòu)簡單、易控制而廣泛用于MLI。SC單元技術(shù)使用串、并聯(lián)電容網(wǎng)絡(luò)[4]～[6]。文獻[7]提出一種基于SC單元的升壓拓?fù)?，具備靈活且易于擴展的特點。但是，該結(jié)構(gòu)存在H橋模塊使得優(yōu)勢被削減。文獻[8]，[9]介紹了一簇7電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渚哂休^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(guān)管且無升壓能力。為減少開關(guān)器件數(shù)量，文獻[10]，[11]提出一簇基于SC級聯(lián)的MLI。上述方案雖通過多單元級聯(lián)和整合使得功率器件有所減少，但仍存后端H橋結(jié)構(gòu)、較高的電壓應(yīng)力和高的電流諧波因數(shù)（THD）。文獻[12]～[14]提出基于SC的9L-MLI，大量存在的開關(guān)器件使其效率提升受限。文獻[15]，[16]雖在功率器件數(shù)量上得到優(yōu)化，但并無升壓能力，應(yīng)用范圍受限。為解決傳統(tǒng)MLI存在無升壓能力的問題，準(zhǔn)Z源為常用的技術(shù)之一[17]。文獻[18]中所提拓?fù)淅米儔浩鲗崿F(xiàn)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(guān)電容升壓式多電平變逆變器（9L-SC-BMLI）拓?fù)?，并具備以下特點：單直流電壓源；僅12個功率器件，產(chǎn)生9個電壓狀態(tài)；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(guān)元件的額定電壓。

1 9 L-SC-BMLI拓?fù)?/h2>

（1）9L-SC-BMLI拓?fù)涞幕締卧?/p>

圖1為9L-SC-BMLI拓?fù)涞幕締卧?，該升壓逆變器?0個開關(guān)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(xiàn)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(nèi)對稱地向負(fù)載提供能量，實現(xiàn)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(guān)的狀態(tài)。

圖1 9L-SC-BMLI拓?fù)銯ig.1 9L-SC-BMLI topology

表1 9L-SC-BMLI開關(guān)狀態(tài)Table 1 Switching states of 9L-SC-BMLI

（2）N電平拓?fù)?/p>

圖2為所提N電平升壓逆變器拓?fù)?。圖2（a）為變換器的基本單元，即SC單元由2個開關(guān)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(shù)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(shù)由式（1）可得。

圖2 9L-SC-BMLI的N電平結(jié)構(gòu)Fig.2 N-level structure of 9L-SC-BMLI

式中：Nsw，Ngd，Nd，NC和VG分別為開關(guān)、柵極驅(qū)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(fù)載放電的同時產(chǎn)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(nèi)波動。為了簡化分析，假設(shè)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(diào)制波的幅值。

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

式中：R為負(fù)載阻抗；M為載波調(diào)制比。

類似地，根據(jù)電容C1和C2的對稱性，C2與C1具有相同的紋波參數(shù)。

2 比較分析

為了介紹9L-SC-BMLI拓?fù)涞奶匦?，本文?L-SC-BMLI與其他MLI在電平數(shù)、開關(guān)元件數(shù)量、電容數(shù)量、器件電壓應(yīng)力等方面進行比較，同時總結(jié)額定功率下的電路參數(shù)、電壓增益以及升壓能力。

表2為不同拓?fù)涞膶Ρ冉Y(jié)果。表中包含高壓應(yīng)用中的重要參數(shù)，例如拓?fù)涞淖畲箝_關(guān)電壓應(yīng)力TSV和最大阻斷電壓MBV。文獻[10]，[12]提出的拓?fù)渚鶟M足9階梯電平的輸出，其中文獻[12]的拓?fù)渚哂械碗妷簯?yīng)力，卻無升壓能力。與文獻[8]，[10]，[12]中拓?fù)湎啾龋?L-SC-BMLI的開關(guān)管數(shù)量更少。文獻[9]的開關(guān)管數(shù)量較少，可以產(chǎn)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?fù)?。文獻[8]中的拓?fù)潆m具有兩倍的電壓增益，但它后端并聯(lián)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(shù)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(guān)管。

表2 不同拓?fù)涞谋容^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?fù)?，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?fù)洹脑?shù)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?fù)涓邇?yōu)勢。

3 9 L-SC-BMLI的實驗結(jié)果

（1）仿真結(jié)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(jù)不同開關(guān)元件的脈沖，采用移相脈寬調(diào)制（PD-PWM）方法，基頻和載波頻率分別為50 Hz和5 kHz。仿真結(jié)果見圖3，圖中Z為總阻抗。

圖3 仿真結(jié)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(jié)果

基于仿真參數(shù)搭建了實驗樣機，對9L-SCBMLI拓?fù)湄?fù)載兩端電壓和電流的實驗波形進行分析，結(jié)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(dāng)輸入100 V電壓進行供應(yīng)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?fù)淇梢暂敵鰞杀峨妷涸鲆?。圖4（b）為負(fù)載為30Ω+100 mH時，CF的電壓、輸出電壓和負(fù)載電流的實驗波形。該條件下，負(fù)載電流的峰值為4.9 A，CF兩端電壓實現(xiàn)了自均衡。圖4（c）為所提9L-SC-BMLI動態(tài)調(diào)節(jié)過程，即調(diào)制指數(shù)（MI）從1.0變?yōu)?.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(shù)從0.2級別變化為3，減少的電平引起負(fù)載電壓降低。此外，圖4（d）給出了當(dāng)負(fù)載類型從阻-感性負(fù)載（RL）變?yōu)樽栊载?fù)載（R）時，浮動電容電壓、負(fù)載電壓和電流的波形。其中，負(fù)載是30Ω的電阻和100 mH的電感組合；若干周期后，負(fù)載變?yōu)?0Ω的阻性負(fù)載，輸出電壓階梯一直保持平穩(wěn)的9電平。通過上述實驗結(jié)果，驗證了9L-SC-BMLI拓?fù)涞目尚行浴?/p>

圖4 實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results

圖5為輸出電流基波和各次諧波與IEEE標(biāo)準(zhǔn)的對比譜。由圖5可知，所提變換器拓?fù)涞妮敵鲭娏髦C波均滿足IEEE 1547-2018的標(biāo)準(zhǔn)。此時輸出電流總的諧波含量THD的測試結(jié)果為2.31%。

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

4 結(jié)論

本文提出了一種新型9L-SC-BMLI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；陂_關(guān)電容單元的級聯(lián)和整合，實現(xiàn)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(jù)器件數(shù)量、電壓增益和不同的電壓應(yīng)力的比較分析，9L-SC-BMLI相比于其他拓?fù)涓邇?yōu)勢。最后通過仿真和實驗結(jié)果，證明了該逆變器拓?fù)涞目尚行院驼_性。