多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化
摘要:近年来，在高压大功率应用领域多电平功率变换技术得到了广泛的关注，成为电力电子领域中学者研究的热点。与传统逆变器相比多电平逆变器的主要缺点需要很多开关器件，但是由于电压在开关器件或单元模块的平均分配，可采用低耐压的功率器件，所以多电平逆变电路并没有在开关方面成本增加。
本文在电平钳位基础上对多电平逆变电路拓扑结构进行了分类，分析了几种典型多电平电路拓扑的优缺点。对几种多电平电路的PWM控制方法进行了比较分析，讨论了各种方法适用的主电路结构。主要是在研究传统级联多电平、混合级联多电平、飞跨电容型多电平逆变电路、二极管钳位级联多电平的基础上，提出了一种基于基本单元组合的多电平逆变电路设计方法。根据本文的研究思想，不仅可以得到已有的多电平逆变电路的拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构从而将多电平逆变拓扑结构的研究统一在基本结构单元的范畴之内，并结合PSpice软件仿真分析。
关键词：多电平；电平钳位；拓扑结构；级联式；基本单元组合
The multilevel inverter circuit topology structure and
simulation optimization
Abstract：In recent years, the high pressure high-power application field multilevel power transformation technology is received extensive attention, become the power electronic field scholars research hot spot. Compared with the traditional inverter multilevel inverter the main disadvantage need many switching device, but because the voltage in switching device or unit of the module average distribution, can use the low voltage power components, so the multilevel inverter circuits and not in the switch of increased cost.
In this paper based on the clamping level of multilevel inverter circuit topology structure are classified, and analyzes some typical multilevel circuit topology advantages and disadvantages. Several of the circuit of multilevel PWM control methods were compared and analyzed, and the method is discussed a wide main circuit structure. Mainly in the study of traditional cascade multilevel, mixed cascade multilevel, diodes clamping cascade multilevel was put forward on the basis of a basic unit based on the combination of multilevel inverter circuit design method. According to this paper the research idea, not only can receive the existing multilevel inverter circuit topology, and can be a series of new topological structure is derived and the topological structure of the multilevel inverter unified in basic research structure unit within the category, and combined with MATLAB software copy.
KeyWords：The multilevel; Level the clamping; The topological structure; Cascade; The basic unit
目录
第1章绪论 (1)
1.1 多电平逆变技术概述 (1)
1.2多电平逆变技术进展与现状 (4)
1.3 研究目的 (4)
1.4多电平逆变器的应用 (5)
第二章多电平逆变电路的主电路拓扑分析 (8)
2.1 二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑 (8)
2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理 (8)
2.1.2 二极管钳位式多电平逆变电路 (10)
2.1.3电容悬浮式多电平逆变电路 (12)
2.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路 (13)
2.2 飞跨电容型多电平逆变电路 (14)
2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理 (14)
2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点 (16)
2.3 级联式多电平逆变电路 (16)
2.3.1 级联型多电平逆变电路的结构和工作原理 (17)
2.3.2 H桥逆变单元 (17)
2.3.3 对称全桥逆变电路 (18)
2.3.5 混合电路串联逆变电路 (19)
2.3.4 级联型多电平逆变电路优缺点 (21)
2.3 本章小结 (22)
第三章基于基本单元的级联式多电平逆变电路 (23)
3.1基本单元的介绍 (23)
3.2由基本结构得到的多电平逆变拓扑 (23)
3.3 功率单元串联级电平逆变电路 (26)
3.4 本章小节 (27)
第四章仿真研究 (28)
4.1 仿真平台 (28)
4.2 仿真及结果 (28)
4.3 本章小节 (30)
结论 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
第一章绪论
近年来，在大功率应用领域多电平功率变换技术得到了很广泛的应用。成为电力电子领域学者研究的热点。大量新型的拓扑和相应调制策略的产生，使多电平技术得到了飞速的发展。
1.1 多电平逆变技术概述
近年来，应用于高压大功率领域的多电平逆变器引起了电力电子行业的极大关注。由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平逆变器通常采用“高—低—高”方式经变压器降压和升压来获得高压大功率，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重化来实现，这使得系统效率和可靠性下降。因而，人们希望实现直接的高压逆变技术。基于电力电子器件直接串联的高压变频器对动静态的均压电路要求较高，并且输出电压高次谐波含量高，需设置输出滤波器。多电平逆变电路的提出为解决上述问题取得了突破性的进展。
多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形的谐波含量减小，开关所承受的电压应力减小，无需均压电路，可避免大的d v/d t所导致的电机绝缘等问题。1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的A.Nabae等人对其进行了发展[1]，提出了二极管钳位式逆变电路。Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构[2]。多电平逆变器主要应用在高压大功率电机调速、无功补偿、有源滤波等领域。在过去二十多年里，研究者们进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，归纳起来大致可分为以下四类：
(1)功率器件的串并联技术
这是一种最简单和直接的方案，为了用小功率的开个器件实现大功率变换，将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流，这个看似简单的方法，由于
功率器件参数的离散性，虽好增加；而器件均流，对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时，对于器件串并联，驱动电流的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量短。在管段过程中，由于恢复性能的差异，输了众多的吸收电路也是必不可少的，降低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波该收没有任何贡献，因而应用范围受到一定的局限。
(2)逆变器并联技术
逆变器并联技术是将多个小容量的逆变器并联运行，并联逆变器的数目可以根据系统需要的容量来确定。这种方法的优点是:易于实现逆变器模块化，可以灵活扩大逆变系统的容量。易于组成N+1个并联冗余系统，提高运行的可靠性和系统的可维护性。逆变器并联技术的难点是需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、N+1冗余与热切换三大技术。
(3)组合逆变器相移SPWM技术
组合相移SPWM技术，其基本思想是：在一个由n个模块（每个模块就是一个普通的两电平逆变器）组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻的模块的三角载波相位相差2π/（nKc），（其中Kc是三角载波与调制波的频率比）。这一相位差使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波形的等效开关频率提高到原来的nKc倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。从广义上说，相移SPWM组合逆变器，也是一种多重化技术。不同于上面所述的输出电压多重化，这里采用是三角载波的多重化，因此简化了输出变压器的设计。图1.1（a）、（d）所示的为几种电压型相移SPWM组合逆变器的拓扑。图 1.1（a）、（b）所示为并联型逆变器，通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各逆变器单元交流侧的电流谐波未被抵消。其中有中线回路的结构中含有三次及其倍数次谐波，因而需要更大的电感滤波。图 1.1（c）所示的串联型逆变器通过电压叠加实现电流中谐波的抵消，逆变器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型的逆变器更小。图1.1（d）所示为并联型的串联型的组合方式。
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（a）有中线回路的并联型逆变器（b）无中线回路的并联型逆变器
(c)串联型逆变电路（d）并—串逆变型电路
图1.1 电压型相移SPWM组合逆变器拓扑
相移SPWM组合逆变器的优点为：可采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。缺点为：仍然需要工频变压器，增加了系统的损耗和成本，没有减小功率器件的电压应力。
(4)多电平逆变器技术
多电平逆变器技术是一种通过改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器，它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小。多电
平逆变器技术已成为电力电子学中以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。多电平逆变器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下突出优点。
(1）每个功率器件仅承受一的母线电压为电平数，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。
(2）电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变（THD）。
(3）可以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形，因而开关损耗小、效率高。
1.2多电平逆变技术进展与现状
自1980年日本学者A.Nabse提出三电平中点钳位式逆变电路以来，经过多年的发展，现已行成钳位式和级联型两大类多种样式的多电平逆变电路拓扑结构[3]。近年来许多学者致力于探索新型的多电平逆变电路的拓扑结构，如1998年M.D.Manjrdkar等提出了基于不同电压等级的级联型混合多电平逆变电路[4]，浙江大学的陈阿莲、何湘宁等提出了一种改进级联型多电平逆变拓扑[5]，王学华提出了一种单相复合式三电平逆变器[6]等，丰富了多电平逆变电路的拓扑形式。于此同时，人民也在不断寻找通用的多电平拓扑结构，Keith Corzine等人提出了级联型多电平电路的统一拓扑结构[7]，为了设计和构造新型多电平逆变电路拓扑提供一种新的思想。但目前仍然未能形成构建多电平逆变拓扑系统性理论和方法。
1.3 研究目的
近年来，世界各国都非常重视中高压功率变换技术的研究。是当前电力电子技术最新发展动向之一。其中多电平逆变电路的拓扑优化是其中最受关注的话题之一。由于传统的逆变电路输出的PWM脉冲波电平数很少，因此存在很高的电压变化率和共模电压，而且波形谐波含量较大。为了解决这一些问题，发展各种多电平逆变电路已成为现在发展的重点。
湖南人文科技学院毕业论文目前中高电压等级（2-10KV、500-40000KW甚至更高）的变频器不像低压变频器那样成熟，具有抑制的拓扑结构，而是限于目前功率器件的电压耐量和高压使用的矛盾，导致拓扑结构复杂多样。也是因为功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需要，多电平逆变电路的拓扑优化研究更具有研究发展前景[8]。比如高-低-高结构的体积大、成本高、效率低、可靠性低、低频时能量传输困难；单元串联多重化结构必须有笨重的输入变压器进行高压分割、使用开个器件太多、控制复杂等缺点更坚定了多电平逆变电路拓扑优化的研究目的。多电平逆变器相对于普通双电平逆变器更适合大容量、高电压的场合，而且可产生M曾梯形输出电压，对阶梯波在做调节可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小，电磁干扰问题大大减轻，效率高而且多电平逆变电路可用较低频率进行开关动作，开关频率低，损耗小，效率提高。
多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究对于解决逆变器在高压领域的不足有很大的实际意义，发展多电平逆变电路不仅可以弥补传统的双电平逆变电路在高压逆变领域的缺陷，而且可以补充高-低-高结构、交交变频、单元串联多重化结构等结构的不足。多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究是逆变器发展中的研究核心，是未来高压逆变领域的热点和发展中心。
1.4多电平逆变器的应用
多电平功率逆变器的应用领域非常广泛,包括电力系统中的无功功率补偿、大功率的电力传动和可再生能源系统等。具体介绍如下：
(1）高压变频调速系统
中高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的一个重要领域，在大电机调速中，传统的两电平高频逆变器存在以下几个问题：输出电压的电流，除了基波分量外，还含有一系列的谐波分量，这些谐波会使电机产生转矩脉动，使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。在中压场合，提高频率一定程度上可以克服上述某些缺点，但又容易导致较高的dv/dt和浪涌电压，在电机的
线圈中产生很大的共模电压，这样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿，而且开关器件所产生的电压应力和开关损耗将降低电机效率，同时产生很高的EMI(10KHZ-30MHZ)，将干扰周围电子设备，高电压等级更是受到限制，功率因数低。而多电平逆变器工作在工频时，可在一定程度上克服上述几个问题。将多电平逆变器用于高压变频器领域，不但可以提高逆变器的电压等级，还可以减少逆变器输出端的谐波含量和开关损耗，提高功率因数，动态性能稳定和效率高等，在高压大容量交流调速领域日益收到重视，是目前较理想的高压变频方式，该方式工作原理是利用多电平功率逆变器叠加合成正弦电压波形，随着电平数的增加，合成阶梯波形分级越多，合成的电压畸变越小。其优点是可使用常规低压功率开关器件实现高压变频调速技术，并从根本上解决谐波及EMI问题，还可避免较高的dv/dt导致电动机损坏[9]。
(2）静止无功补偿器
无功补偿作为灵活交流输电技术的一个重要组成部分，一直是国内外相关专业领域内的研究热点。无功补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿器,即晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器之后，随着现代功率半导体器件的应用与新颖功率变换电路及控制技术相结合，产生了新型无功补偿装置：静止调相机（STATCOM）。STATCOM是按照调相机的原理，由新型大功率固体电子元件构成的可调节逆变器、直流电容器组和输出变压器等组成的无转动结构的静止无功补偿装置，核心是电压源逆变器（VSI）。由于具有上述优点，F.Z.Peng 首次提出级联多电平STATCOM概念以来，并引起了广泛关注。1999年，世界上首台级联多电平STATCOM工业装置在英国East Clayton变电站投入运行，其容量为75Mvar[10]。这标志着级联多电平STATCOM技术已进入实用化阶段。
(3）有源电力滤波器
电能质量的改善是电力系统面临的一项重要课题。在众多谐波治理方案中,有源电力滤波器（APF）可以起到瞬时补偿电力系统谐波、无功功率、电压波动、负序等作用，在国内外得到了广泛的研究。然而，要实现大容量的谐波补偿，需要
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APF具有较大的装置容量。由于目前电力电子器件容量、价格及其串并联技术等的限制,装置容量大势必使初始投资大，并且大容量还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题，从而限制了APF的进一步发展。近年来，多电平逆变器在高电压领域得到越来越广泛的应用,特别是在减小电网谐波方面有着非常良好的应用前景。清华大学的李永东教授研制出级联多电平结构APF。浙江大学的张仲超教授将相移SPWM技术应用于级联多电平结构APF，器件开关频率仅为600HZ，取得了很好的滤波效果。美国田纳西大学的F.Z.Peng等人采用二极管箝位五电平结构，研制出统一电能质量调节器，滤波之后系统电流的THD 仅为3%。清华大学的韩英铎教授采用二极管箝位三电平拓扑结构，研制出并联电能质量补偿器器。实验结果表明，该滤波器的性能明显优于普通两电平APF。
(4）高压直流输电（HVDC）
在远距离输电（跨地域输电），非周期输电（非同步）的电力系统实现联网方面,高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量（少一根输电线），直流输电需要构造超大功率的整流和逆变装置。级联型多电平变流器输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量低,并有很高的可能性，,再加上其模块化设计的简单结构，因此在高电压级别的高电压直流输电中也得到较多的应用。如巴西伊太普HVDC工程运行电压最高为600KV，输送功率为3100MW，线路长8000KM，它代表当今水平。它代表当今HVDC水平。我国葛洲坝一上海南桥500KV，输电工程建设中也用了该项技术。
在高压变频器领域，多电平技术还将在未来很长一段时间里占居明显优势。在无功补偿、有源滤波器、高压直流输电领域，采用多电平拓扑的工业装置将慢漫进入实用化阶段。随着高压大容量电力电子装置需求的日益加大，多电平技术作为电力电子技术的核心技术之一，将对中国电力系统未来的发展起到至关重要的作用,而且其产业化也展示了诱人的前景。运用多电平技术来改造传统的电力工业，使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作，也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。
第二章多电平逆变电路的主电路拓扑分析
多电平逆变器就是把多个功率器件按一定的拓扑规律连接起成可以提供多种电平输出的逆变电路，再使用适当的逻辑控制将多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。
世至今已提出多电平逆变电路的多种主电路拓扑结构，目前应用较为广泛的几种有以下三大类。
(1）二极管或电容箝位的多电平逆变电路拓扑，包括二极管箝位式、电容悬浮式、电容电压自平衡式3种。
(2）飞跨电容型多电平逆变电路。
(3）级联型多电平逆变电路。
2.1 二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑
2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理
二极管箝位型结构如图2.1所示。其结构特点是利用多个二极管对应相应的开关元件进行箝位，解决了功率器件串联的均压问题。
输出线电压电平数N L、电容个数N C与相电压电平数N P的关系为：
N L=2N P-1 (2.1)
N C=N P-1 (2.2) 以二极管箝位型五电平逆变器单臂电路分析，分压电容C1=C2=C3=C4，因此V C1=V C2=V C3=V C4；每相桥臂有8个开关器件S1-S8串联，每4个开关器件同时处于导通或者关断状态，其中（S1,S5）、（S2,S6）、（S3,S7）、（S4,S8）为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个一定关断，反之亦然，D C1、D C1'、D C2、D C2'、D C3、D C3'为箝位二极管。五电平逆变器的输出电压与开关状态之间关系如表2.1所示。
湖南人文科技学院毕业论文表2.1 五电平逆变器的输出电压与开关状态之间的关系
开关状态
输出电压
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Vdc/2 1 1 1 1 0 0 0 0
Vdc/4 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0 0
- Vdc/4 0 0 0 1 1 1 1 0
-Vdc/2 0 0 0 0 1 1 1 1 注：表中“1”表示开关器件导通状态，“0”表示开关器件关断状态。
图2.1二极管箝位型五电平逆变器单臂电路
对于n电平的二极管箝位型逆变器拓扑，每个桥臂需要（n-1）个直流分电压容，2(n-1)个主开关器件，（n-1）（n-2）个箝位二极管[11]。通过组合三个相同的但比电路，利用相同的分压电容，可以容易得到三相电路，如图2.2所示。
在传统的二极管箝位型多电平逆变器中，当电平数超过三时，箝位二极管因需要阻断多倍电平电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。例如在图2.1中，D C1由鱼需要阻断两倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联；D C2'和D C2需要
阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相同的二极管串联，D C3需要阻断三倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联。
图2.2 二极管箝位型五电平三相逆变器主电路
2.1.2 二极管钳位式多电平逆变电路
二极管箝位式多电平逆变电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。图2.3是二极管箝位式5电平逆变电路拓扑结构，它具有4个电容，能输出5电平的相电压，线电压为9电平。对于M电平电路，直流侧需M－1个电容，能输出M电平的相电压，线电压为(2M－1)电平。它的输出电压和输出电流的总谐波畸变率都大大减小。这种结构有显著的优点，即利用二极管进行箝位，解决了功率器件串联的均压问题。
但是，二极管箝位式多电平变频器也有如下缺点。
(1）虽然开关器件被箝位在V dc/(M－1)电压上，但是二极管却需要不同倍数的V dc/(M－1)反向耐压。如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，如图2-4(a)所示，其数目为(M－1)(M－2)/2，当M很大时，增加了实际系统的实现难度。
湖南人文科技学院毕业论文(2）当逆变器只传输无功功率时，电容器在半个周期内由相等的充电和放电来平衡电容电压。但是当逆变器传输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。
图2.3 二极管钳位式五电平逆变电路
上述的二极管箝位式多电平逆变电路中的二极管承受电压不均匀，若按照最大值选择则造成浪费，如果多管串联又会产生均压问题。因此，在1999年Xiaoming Yuan提出了一种新的结构[12]，如图2.4(b)所示。它的器件个数和开关控制的方法
（a）二极管串联钳位（b）二极管自钳位
图2.4 二极管钳位的新结构
和原来的结构完全相同，只有二极管的放置位置不同。该结构不但将开关管的电位箝位在单个电容电压，而且箝位二极管也被箝位在单个电容电压以内，从而解决了箝位二极管承受电压不均的问题。
2.1.3电容悬浮式多电平逆变电路
在1992年，T.A.Meynard和H.Foch提出了如图2.5所示结构[13]。它的特点是箝位二极管被箝位电容所代替，直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位式逆变器相似。M电平逆变器可输出M电平相电压，(2M－1)电平的线电压。
图2.5 电容悬浮式五电平逆变电路
这种结构相对于二极管箝位式逆变器的优点是：
(1）在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性。
(2）由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡。
(3）可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。
但是，这种拓扑也有缺点：
(1）对于这种结构，M电平的逆变器每个桥臂就需要(M－1)(M－2)/2个电容，再加上直流电源的M－1个电容，大量的电容使得系统成本高且封装不易。
(2）控制方法非常复杂，实现起来很困难。
(3）存在电容的电压不平衡问题。
湖南人文科技学院毕业论文2.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路
这种结构是2000年由Peng Fangzheng首次提出的[14]，是以电容箝位的半桥结构为基本单元组成的。多级电路是由基本单元按金字塔结构形成的。图2.6为5电平的电容电压自平衡式逆变器。在图2.4中，开关器件S p1、S p2、S p3、S p4、S n1、S n2、S n3、S n4和二极管D p1、D p2、D p3、D p4、D n1、D n2、D n3、D n4用来在输出端输出所需电平，其他开关器件、二极管和电容用于电平箝位以实现单元的自动均压。
图2.6 电容电压自平衡式五电平逆变单相电路
这种结构与以上所述的二极管箝位式和电容箝位式结构比较有以下优点：
(1）实现了电容电压的自动箝位，不需要复杂的电容电压平衡控制算法。
(2）将此结构的输出端和输入端交换，可以用相同电路实现功率的双向流动，所以，这种结构应用范围广泛，可以实现DC/DC，DC/AC，AC/DC的功率转换。
该结构的缺点：
(1）当电平增加时，所需要的电容和功率开关数目都会增加许多，使得系统的成本和体积增大。
(2）由于使用了大量的功率开关和箝位电容，使得电路在工作时的开关损耗增大。
(3）随着电路级数的增加，由于功率开关的通态压降引起的每级电压降落将越来越明显。
2.2 飞跨电容型多电平逆变电路
2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理
图2.7所示是一个飞跨电容型五电平逆变器的单臂电路,S1-S8为功率开关管，Cc1-Cc6为飞跨电容，每个电容都具有相同的电容值和电压，C1-C4为直流分压电容。由图可见，与二极管箱位型多电平逆变器不同，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行籍位的，它的开关状态如表2.2所示。从表中可以看出,该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。例如，对于输出电压-Vdc/4和Vdc/4，分别可以由四种开关状态组合得到；对于输出电压0，可以由六种开关状态组合得到。这种开关状态组合的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性。与二极管箱位型多电平逆变器类似，飞跨电容型多电平电路也可构成三相系统，如图2.8所示。对于一个电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2（n-1）个开关器件,（n-1）个直流分压电容以及（n-1）（n-2）/2个飞跨电容。
图2.7 飞跨电容型五电平逆变电路单臂电路
湖南人文科技学院毕业论文表2.2飞跨电容五电平逆变电路输出电压与开关状态之间的关系
输出电压
开关状态
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
-Vdc/2 0 0 0 0 1 1 1 1
-Vdc/4 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0 0
0 0 1 1 0 0 1 1
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1
Vdc/4 1 1 1 0 1 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 1
1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0
Vdc/2 1 1 1 1 0 0 0 0
图2.8 飞跨电容五电平三相逆变电路
2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点
飞跨电容型多电平逆变器拓扑的出发点之一,是为了去除二极管箱位型电路中大量的箱位二极管,但同时又引入了大量的悬浮电容。在电力电子装置中,电容是一个可靠性较差、寿命较短的器件[15]。综合分析得出飞跨电容型多电平逆变器的优点如下。
(1）电源断电时，大容量电容器存储的能量可以作为电源提供额外控制。
(2）在电压合成上，大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。
(3）能控制有功和无功功率流量,因而可用于高压直流输电和变频调速。
(4）阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。
(5）单电平数越多，输出电压谐波含量越少。
但是它同样具有以下缺点。
(1）当逆变器输出电平数很大时，需要的飞跨电容数量大，封装困难成本较局高。
(2）功率变换电路控制困难，有功功率流量转换的开关频率和开关损耗较高。
(3）用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。
2.3 级联式多电平逆变电路
级联型多电平逆变器是将多个独立的单相全桥逆变电路串联起来，组成一个功率模块，通过向量合成每个逆变器的输出电压形成多电平波形。
级联型多电平逆变器具有输出容量大、易于模块化和扩展、适用于中高压大功率场合、输出电压谐波含量小等优点,已在无功发生器（SVG）、中高压调速、大功率有源电力滤波和交流柔性供电等领域得到了广泛的应用。
由型全桥逆变电路作为功率单元级联而成。单元级联型电路输出线电压电平数N L相电压电平数N P与每单相级=4联功率单元数N S的关系为：
N P=2N S+1 （2.3）
N L=4N S+1 （2.4）
摘要 逆变电路是P W M控制技术最为重要的应用场合。这里在研究单相桥式P WM逆变电路的理论基础上，采用Ma t la b的可视化仿真工具S i mu lin k建立单相桥式单极性控制方式下P W M逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调制深度、载波频率对输出电压、负载上电流的影响；并分析了输出电压、负载上电流的谐波特性。仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点，从而为电力电子技术教学和研究中提供了一种较好的辅助工具。 关键词:Matlab/Simulink；PWM逆变电路；动态仿真；建模；
前言 PWM控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。
目录 摘要 (1) 前言 (2) 一逆变电路相关概述 (4) 1.1 .MATLAB的介绍 (4) 1.2 PWM技术 (4) 1.3PWM控制方法 (5) 二主电路工作原理说明 (10) 2.1 PWM控制的基本原理 (10) 三主电路设计的详细过程 (12) 四仿真模型的建立及各模块参数设置 (14) 4.1单极性PWM控制发生电路模型 (14) 4.2单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 (16) 五、总结 (23) 参考文献 (24) 七、体会 (25)
三相无源逆变器的构建及其MATLAB仿真1逆变器 1.1逆变器的概念 逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。 1.3逆变器的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下： 1)按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 2)按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 3)按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 4)……………. 2 三相逆变电路 三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路
日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。 4MATLAB仿真 Matlab软件作为教学、科研和工程设计的重要方针工具，已成为首屈一指的计算机仿真平台。该软件的应用可以解决电机电器自动化领域的诸多问题。利用其中的Simulink模块可以完成对三相无源电压型SPWM逆变器的仿真，并通过仿真获取逆变器的一些特性图等数据。 图 2 系统Simulink 仿真 所示为一套利用三相逆变器进行供电的系统的Matlab仿真。系统由一个380v的直流电源供电，经过三相整流桥整流为三相交流电,并进行SPWM正弦脉宽调制。输出经过一个三相变压器隔离后通入一个三相的RLC负载模块（Three phase parallel RLC）。加入了两个电压测量单元voltage measurement和voltage measurement1，并将结果输出到示波器模块Scope1.
两款最简单的12V变220V逆变器 江苏省泗阳县李口中学沈正中 制作一： 变压器可选用一个100W机床控制变压器，将变压器铁芯拆开,再将次级线圈拆下来，并记录匝数，以便于计算每伏圈数。然后用φ1.35mm的漆包线重新绕次级线圈，先绕一个22V的主线圈，在中间抽头，再用φ0.47的漆包线绕两个4V的反馈线圈，线圈的层间用较厚的牛皮纸绝缘。线圈绕好后插上铁芯，将两个4V次级分别和主线圈连在一起，注意头尾的别接反了。可通电测电压，如果4V线圈和主线圈连接后电压增加说明连接正确，反之就是错的，可换一下接头就可以了。 与4V线圈串联的两个电阻R2、R3可用电阻丝制作，可根据输出功率大小选择电阻的大小， 一般为几欧姆，输出功率大 时，电阻越小，偏流电阻用 1W300Ω的电阻，不接这个 电阻也能工作，但由于管子 的参数不一致有时不起振， 最好接一个。三极管的选择： 每边用三只3DD15并联，共用六只管子，电路连接好后检查无错误，就可以通电调整了，接上蓄电池，找一个100W的白炽灯做负载，打开开关，灯泡应该能正常发光，如果不能正常发光，可减小基极的电阻，直到能正常发光为止，再接上彩电看能否正常启动，不能正常启动也是减小基极的电阻，调整完毕后就可以正常使用了。
制作二： 只用4个元件的逆变器，制作简单，用于普通照明不错。R1、 R2根据三极管和变压 器的不同在1.2k～4.7k 之间选用；三极管无特 殊要求根据变压器的 容量选择，容量大就用 功率大点的；变压器可 用普通控制变压器，只 要有两组12V就行。 选用500W机床控制变压器0v－12V－24V，三极管用的达林顿管MJ11032，电阻4.7k。（输出的是方波，不适合要求较高的场合）。
PWM-逆变器设计与仿真
摘要 随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装置涵盖交流——直流变换、直流——交流变换、直流——直流变换、交流——交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面都得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。由于电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子各种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等，这些工作特别适合Matlab的使用。本次设计的题目是基于PWM逆变器的设计与仿真，所以在此次仿真就用的是Matlab软件，建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路,采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的simulink/simupowersystems对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块,分别用单极性SPWM和双极性SPWM的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了Matlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的以及Matlab绘制的图形准确、清晰、优美的优点,从而进一步展示了Matlab的优越性。 关键字：PWM逆变器单极性SPWM 双极性SPWM MATLAB仿真
目录 摘要 绪论 (1) 第1章 MATLAB软件 (3) 1.1软件的介绍 (3) 1.2 电力电子电路的Matlab仿真 (4) 1.2.1实验系统总体设计 (5) 1.2.2电力电子电路Simulink仿真d特点 (5) 第2章逆变主电路的方案论证与选择 (6) 第3章 PWM逆变器的工作原理 (9) 3.1 PWM控制理论基础 (9) 3.1.1面积等效原理 (9) 3.2 PWM逆变电路及其控制方法 (11) 3.2.1计算法…………………………………………………… 11 3.2.2调制法…………………………………………………… 11 3.2.3 SPWM控制方式………………………………………… 15 第4章单相桥式PWM逆变器的仿真 (18) 4.1单相桥式PWM逆变器调制电路的Simulink模型 (18) 4.1.1单极性SPWM仿真模型图 (18)
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: PWM逆变器Matlab仿真 初始条件： 输入110V直流电压； 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、得到输出为220V、50Hz单相交流电； 2、采用PWM斩波控制技术； 3、建立Matlab仿真模型； 4、得到实验结果。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要 (1) 1设计方案的选择与论证 (2) 2逆变主电路设计 (2) 2.1逆变电路原理及相关概念 (2) 2.2逆变电路的方案论证及选择 (3) 2.3建立单相桥式逆变电路的S IMULINK的仿真模型 (4) 2.3.1模型假设 (5) 2.3.2利用MATLAB/Simulink进行电路仿真 (5) 3正弦脉宽调制(SPWM)原理及控制方法的SIMULINK仿真 (6) 3.1正弦脉冲宽度调制(SPWM)原理 (6) 3.2SPWM波的控制方法 (7) 3.2.1双极性SPWM控制原理及Simulink仿真 (7) 3.2.2单极性SPWM控制原理及Simulink仿真 (9) 4升压电路的分析论证及仿真 (11) 4.1B OOST电路工作原理 (11) 4.2B OOST电路的S IMULINK仿真 (12) 5滤波器设计 (13) 6 PWM逆变器总体模型 (15) 7心得体会 (18) 参考文献 (19)
多电平逆变器主要控制策略综述 ( 本站提供应用行业：阅读次数：1082) 【字体：大中小】 1 引言 多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点，近十年得到广泛的研究[1]。研究主要集中在拓扑结构、控制策略两方面。图1是多电平逆变器的主要研究内容。 图1 多电平逆变器主要研究内容 由于多电平逆变器拓扑结构的多样性，且涉及到直流电压的均衡、开关频率的合理分配、冗余状态的利用等特殊要求，使得对多电平逆变器的控制具有一定的挑战性。 2 载波调制方法(Carrier-based Modulation) 载波调制是最常用的多电平控制方法之一，其特点是通过载波和调制波(或参考波)间的比较而获得器件的开关状态。载波调制按其采样方法可分为:自然采样和规则采样，自然采样一般用于模拟电路实现，规则采样用于数字实现。规则采样又分对称和不对称采样。在载波调制中，对于m电平逆变器，常定义幅度调制比ma和频率调制比mf分别为: 其中Ac为载波峰峰值，fc为载波频率，Am为调制波峰值，fm为调制波频率。多电平载波调制由于载
波个数的增加，而变得较复杂，但也给控制提供了更多的自由度。 2.1 子谐波脉宽调制SHPWM(SubHarmonic PWM) 由Carrara[2]提出的SHPWM的基本原理是:对m电平逆变器，将m-1个具有相同频率fc和峰峰值Ac的三角载波集连续分布。频率为fm、幅值为Am的正弦调制波置于载波集的中间。将调制波与各载波信号进行比较，得到逆变器的开关状态。在载波间的相位关系方面，Carrara考虑了三种典型配置方案: (1) PD—所有载波具有相同相位; (2) POD—正、负载波间相位相反; (3) APOD—相邻载波间相位相反。 图2是SHPWM采用PD配置的波形图。SHPWM的最大线性幅度调制比ma为1。对SHPWM的研究有如下一些重要结论[3]: ·对于三相系统，频率比mf应为取3的倍数; ·单相逆变器，APOD配置电压谐波最小; ·三相逆变器，PD配置线电压谐波最小。 图2 5电平SHPWM-PD波形(ma=0.9，mf=21) 2.2 开关频率最优脉宽调制SFOPWM(Switching Frequency Optimal PWM) 由Steinke[4]提出的SFOPWM与SHPWM基本原理相同，只是前者在三相正弦调制波中叠加了一定的零序电压(三次谐波电压)。设三相均衡参考电压分别为va，vb，vc，叠加零序电压vn，后三相参考电压分别为varef，vbrdf，vcref，具体叠加方法为:
自制逆变器电路及工作原理 今天我们来介绍一款逆变器（见图1）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该变压器的工作原理及制作过程。 电路图（1） 工作原理： 这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。 一、方波的产生 这里采用CD4069构成方波信号发生器。图2中，R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的震荡频率不稳。电路的震荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2*2.2*103*2.2x10-6=93.9Hz，最小频率为fmin=1/2.2*4.2*103*2.2*10-6=49.2Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的发相器，输入端接地避免影响其它电路。
图2 二、场效应管驱动电路。 由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。如图3所示。 图3 三、场效应管电源开关电路。 场效应管是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS场效应管也被称为MOS FET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的是增强型MOS场效应管，其内部结构见图4。它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型通常称P沟道型。由图可看出，对于N 沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称场电压）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
摘要 随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术的各种装置在国民经济各行各业中得到了广泛应用。从电能转换的观点，电力电子的装置涵盖交流——直流变换、直流——交流变换、直流——直流变换、交流——交流变换。比如在可控电路直流电动机控制，可变直流电源等方面都得到了广泛的应用,而这些都是以逆变电路为核心。由于电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，内容大多涉及电力电子各种装置的分析与大量的计算、电能变幻的波形分析、测量与绘制等，这些工作特别适合Matlab的使用。本次设计的题目是基于PWM逆变器的设计与仿真，所以在此次仿真就用的是Matlab软件，建立了基于Matlab的单相桥式SPWM逆变电路,采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的simulink/simupowersystems对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块,分别用单极性SPWM和双极性SPWM的动态模型给出了仿真的实例与仿真结果，验证了模型的正确性，并展现了Matlab仿真具有的快捷，灵活，方便，直观的以及Matlab绘制的图形准确、清晰、优美的优点,从而进一步展示了Matlab的优越性。 关键字：PWM逆变器单极性SPWM 双极性SPWM MATLAB仿真
目录 摘要 绪论 (1) 第1章 MATLAB软件 (3) 1.1软件的介绍 (3) 1.2 电力电子电路的Matlab仿真 (4) 1.2.1实验系统总体设计 (5) 1.2.2电力电子电路Simulink仿真d特点 (5) 第2章逆变主电路的方案论证与选择 (6) 第3章 PWM逆变器的工作原理 (9) 3.1 PWM控制理论基础 (9) 3.1.1面积等效原理 (9) 3.2 PWM逆变电路及其控制方法 (11) 3.2.1计算法 (11) 3.2.2调制法 (11) 3.2.3 SPWM控制方式 (15) 第4章单相桥式PWM逆变器的仿真 (18) 4.1单相桥式PWM逆变器调制电路的Simulink模型 (18) 4.1.1单极性SPWM仿真模型图 (18) 4.1.2 双极性SPWM仿真模型图 (19) 4.2 仿真参数的设定及仿真图的分析 (19) 4.2.1 单极性SPWM的仿真及分析 (19)
电力电子技术课程设计单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真
开题报告 课题名称：单相电压型全桥逆变电路及其simulink仿真 完成时间：2012.12.14 指导老师：刘彬 (一)简要背景说明 随着电力电子技术的发展，逆变电路具有广泛的应用范围。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管等特点而具有广泛的应用范围。电压型逆变电路主要用于两方面：①笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。②不停电电源。该电源在逆变输入端并接蓄电池，类似于电压源。 图1 单相电压型全桥逆变电路
(二)研究的目的及其意义 在教学及实验基础上，设计单相电压型全桥逆变电路及其控制与保护电路，并通过使用simulink对课程中理论对电路进行仿真实现，进一步了解单相电压型全桥逆变电路的工作原理、波形及计算。 培养学生运用所学知识综合分析问题解决问题的能力。 在电力电子技术的应用中，逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路。逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。无源逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，需要通过无源逆变电路；无源逆变电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备，如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整流变为直流电，然后经无源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。当电网提供的50 Hz 工频电源不能满足负载的需要，就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。如感应加热需要较高频率的电源；交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。 (三)研究的主要内容 1单相电压型全桥逆变电路的原理。 2单相电压型全桥逆变电路的结构。 3单相电压型全桥逆变电路及其控制电路、保护电路的设计(画出原理图，标明器件的选择)。 4完成单相电压型全桥逆变电路的数学模型的设计。 5建立simulink仿真系统进行建模，并对模型参数进行设置。 6仿真结果与分析。 (四)研究的主要方法和手段 首先建立单相电压型全桥逆变电路的电路拓扑图，在MATLAB中使用simulink工具箱建立相关控制模型，设置模型参数后，通过仿真得到电路的电压、电流结果，并对该结果进行分析。
多电平逆变电路的三种控制方法 多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。 1. 三角载波PWM方法 ①消谐波PWM（SHPWM）法 消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。为了使M－1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。 ②开关频率最优PWM（SFOPWM）法 开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。但是该方法只能用于三相系统。因为在单相系统
中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。 ③三角波移相PWM（PSPWM）法 三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。 2. 空间电压矢量PWM方法 多电平PWM的空间电压矢量法与其它方法比较是较为优越和应用广泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能，无其它控制方法所需存储的大量角度数据，并且母线利用率高。多电平空间矢量PWM是根据2电平空间矢量控制法推广得到的，可以认为多电平空间矢量控制思想与2电平是一致的。对某一个空间电压矢量，是用该区域相应的电压矢量适时切换合成所得。所不同的是
题目如下： 使用IGBT完成逆变电路仿真，直流电压300V。阻感负载，电阻值1Ω，电感值3mH。调制深度m=0.5。输出基波频率50Hz，载波频率为基频15倍，即750Hz。分别按下列要求仿真输入输出波形，进行谐波傅里叶分析。绘制主要器件的工作波形。 1，单极性SPWM方式下的单相全桥逆变电路仿真，及双极性SPWM方式下的单相全桥逆变电路仿真。对比两种调制方式的不同。 题目中需要做单极性与双极型SPWM的单相全桥逆变电路仿真，那么首先了解一下SPWM的原理。 SPWM控制的基本原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，PWM控制技术在逆变电路中的应用也最具代表性。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图1.1所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1， 图1.1 SPWM控制如下：
如图1-2是单相PWM逆变电路VT1~VT4是四个IGBT管，VD1~ VD4是四个二极管，调制电路作为控制电路控制IGBT导通与关断来得到所需要的波形。 图1-2 计算法和调制法： SPWM逆变电路主要有两种控制方法：计算法和调制法。计算法是将PWM脉冲宽度的波形计算出来，显然这种方法是很繁琐的，不采用。调制法是用一个三角波作为载波，将一正弦波作为调制信号进行调制。我们采用调制法。因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与一个平缓变化的正弦调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于正弦信号波幅度的脉冲 单极性与双极型的控制方法如下： 1单极性PWM控制方式： 如图1-3所示，在u r和u c的交点时刻控制IGBT的通断 u r正半周，VT1保持通，VT2保持断 . 当u r>u c时使VT4通，VT3断，u o=u d当u r多电平逆变器
多电平逆变器 摘要多电平逆变器及其相关技术的研究与应用,是现代电力电子技术的最新发展之一,它主要面向高压大容量的应用场合近年来,多电平逆变器的研究受到广泛重视,并得到了一定的应用。多电平逆变器输出端可以有更多级的输出电压波形,谐波含量小,波形更接近正弦波,逆变器性能更好,更适用于高压大容量的电力电子变换。总结和比较了多电平逆变器各种基本拓扑结构的特点,它们主要包括了:二极管钳位式、飞跨电容钳位式,电容电压自平衡式和联型式拓扑,并且分析了它们的优缺点。本文介绍了几种多电平逆变器调制方式。 关键字多电平逆变器拓扑结构调制策略 1引言 1.1 多电平逆变器的产生和发展背景 电力电子技术自20世纪50年代诞生以来,经过半个多世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于电力系统、电机调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领域。在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来的研究目标则是高功率密度、高效率和高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。。大功率电力电子装置如电力系统中的高压直流输电(HVDC),以静止同步补偿器(STATCOM)和有源电力滤波器(APF)为代表的柔性交流输电技术(FACTS),以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源等需要能够处理越来越高的电压等级和容量等级,同时,为了满足输出电压谐波含量的要求,这些大功率电力电子装置还要能够工作在高开关频率下,并且尽量减少电磁干扰(EMI)问题。电力电子器件是电力电子装置的核心。在过去几十年里,以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展,尤其是以IGBT、IGCI,为代表的双极性复合器件的惊人进步,使得电力电子器件向大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向发展。即便如此,在某些应用场合,传统的两电平电压源变换器拓扑,仍然不能满足人们对高压、大功率的要求。并且,以现有的电力电子器件的工艺水平,其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的,往往功率越大,开关频率越低。所以为了实现高频化和低EMI的大功率变换,在功率器件水平没有本质突破的情况下,有效的手段是从电路拓扑和控制方法上找到问题的方案。现有的高压大功率变换电路归结起来可以分为5类。1、普通三相逆变器2、降压一普通变频一升压电路3、变压器祸合的多脉冲逆变器4、交一交变频电路5、多电平变换器。相对于其他的高压大功率变换电路,多电平变换器技术由于优点多，受到了越来越广泛的关注、研究和应用。
自制逆变器电路及工作原理 作者：本站来源：本站整理发布时间：2009-11-20 11:54:11 [收藏] [评论] 自制逆变器电路及工作原理 今天我们来介绍一款逆变器（见图1）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于M OS场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍 该变压器的工作原理及制作过程。 电路图（1） 工作原理： 这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。 一、方波的产生 这里采用CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的震荡频率不稳。电路的震荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2x103x2.2x10—6=62.6Hz，最小频率为fmin=1/2.2x4.3x103x2.2x10—6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的发相器，输入端接地避免影响其它电路。
图2 二、场效应管驱动电路。 由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2 将振荡信号电压放大至0~12V。如图3所示。 图3 三、场效应管电源开关电路。 场效应管是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。MOS场效应管也被称为MOS FET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的是增强型MOS场效应管，其内部结构见图4。它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型通常称P沟道型。由图可看出，对于N沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称场电压）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入 阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
湘潭大学 课程设计报告书题目：三相桥式PWM逆变电路设计 学院信息工程学院 专业自动化 学生 同组成员 指导教师 课程编号 课程学分 起始日期
目录 一、课题背景 (1) 二、三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求 (2) 三、SPWM逆变器的工作原理 (3) 1.工作原理 (4) 2.控制方式 (5) 3.正弦脉宽调制的算法 (8) 四、MATLAB仿真分析 (17) 五、电路设计 (11) 1.主电路设计 (11) 2.控制电路设计 (12) 3.保护电路设计 (14) 4.驱动电路设计 (15) 六、实验总结 (21) 附录 (22) 参考文献 (23)
三相桥式SPWM逆变电路设计 一、课题背景 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本实验针对正弦波输出变压变频电源SPWM 调制方式及数字化控制策略进行了研究，以SG3525为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。 正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装 置被广泛地应用于国民经济生产生活中 ,其中有:针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源 EPS ( Emergence Power Supply) ;针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply) ;还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新 ,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出现 ,大大简化了正弦逆变电源的换相问题 ,为各种 PWM 型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法 ,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制. 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。
单相桥式整流逆变电路的设计及仿真 辽宁工业大学 电力电子技术课程设计（论文）题目：单相桥式整流/逆变电路的设计及仿真 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化111班 学号： 110302030 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间：2013.12.30-2014.1.10
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要 整流电路是把交流电转换为直流电的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。逆变电路是把直流电变成交流电的电路，与整流电路相对应。无源逆变电路则是将交流侧直接和负载连接的电路。 此次设计的单相桥式整流电路是利用二极管来连接成“桥”式结构，达到电能的充分利用，是使用最多的一种整流电路。无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。 关键词：交直流转换；桥式整流；无源逆变电路；
目录 第1章绪论 (1) 第2章课程设计的方案 (2) 2.1概述 (2) 2.2系统组成方案 (2) 2.2.1单相桥式整流电路的结构 (2) 2.2.2单相桥式无源逆变电路的结构 (3) 第3章主电路设计 (4) 3.1单相桥式整流主电路 (4) 3.1.1单相桥式整流主电路图 (4) 3.1.2工作原理 (4) 3.2单相桥式无源逆变电路主电路 (5) 3.2.1单相桥式整流电路主电路图 (5) 3.2.2工作原理 (6) 第4章控制电路设计 (7) 4.1单相桥式整流电路控制 (7) 4.1.1触发电路 (7) 4.1.2保护电路 (8) 4.2单相桥式无源逆变电路控制电路 (9) 4.2.1驱动电路 (9) 4.2.2保护电路 (10) 第5章 MATLAB仿真 (12) 5.1单相桥式整流电路的仿真 (12) 5.2单相桥式无源逆变电路的仿真 (15) 第6章课程设计总结 (17) 参考文献 (18)
逆变器应用及一种简单的逆变器电路图随着科技的快速发展，逆变器已经越来越多的出现在人们的生活中。目前，逆变器的已经在很多领域应用到，比如电脑、电视、洗衣机、空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、录像机、按摩器、风扇、照明等等。逆变器是一种能够进行电能转换的器件，当输入的是直流电是，输出就会变成交流电，而且一般是为220v50HZ正弦或方波。它与应急电源的工作原理是相反的，逆变器一般由控制逻辑、滤波电路和逆变桥组成。本文将首先介绍二极管在逆变器中的应用，然后结合一种简单的逆变器电路图，具体分析PWM逆变器的工作原理。 二极管在逆变器中的应用 在家电应用中，最主要的就是高效率和节能，三相无刷直流电机正是因为具有效率高、尺寸小的优点，被广泛的应用在家电设备及其他很多应用中。除此之外，由于还将机械换向装置替换成电子换向器，三相无刷电机进而被认为可靠性比原来更高了。 标准的三相功率级(power stage)被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。 MOSFET Q1、Q3和Q5高频(HF)切换，Q2、Q4和Q6低频(LF)切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。 步骤1) 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。 步骤2)MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。 步骤3)Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流(如步骤1)与二极管D2上的恢复电流之和。 显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2(见图1)，该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。 当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置，N区的少数载流子进入P+体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。
三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真 09 电气工程及其自动化邱迪 摘要：本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB 仿真。 关键词：三相逆变器正弦脉宽调制(SPWM)技术MATLAB仿真 Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation. Key word:Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology 1逆变器 1.1逆变器的概念 逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。[1] 1.2逆变器涉及的技术 逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件；开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术；对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制（SPWM）技术等等。 1.3逆变器的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下： 1)按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。
2)按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 3)按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 4)按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变等等。 5)按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 6)按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 7)按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。[2] 2 三相逆变电路 三相逆变电路，是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路 日常生活中使用的电源大都为单相交流电，而在工业生产中，由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电，例如三相电动机。随着科技的日新月异，很多设备业已小型化，许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化，其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下，电力的储能形式可能只有直流电，如若在这样的环境下使用三相交流电设备，就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。
摘要：多电凭高压变频器自诞生以来就在节能和环保方面体现出极高的价值，也引起了众多的学者进行研究。本文对多电平高压变频器的两种主要拓扑结构及其原理进行分析。 关键词：三电平；单元串联多电平；应用 About multi-level high-voltage converter topology of the two TANG Xin g Long LIU Hui Kang XIONG Wen SUN Kai（Wuhan University of Science a nd Technology College of Information Science and Engineering,Wuhan Hu bei 430081）Abstract: With high voltage inverter, since its birth in the ene rgy-saving and environmental protection reflects the high value, it also ca used a lot of academics for research. In this paper, the multi-level high-vo ltage converter topology of the two main structure and principles for analy sis.Key words: Level 3; Series multi-level unit; Application 1 前言 对于高压电动机，我们如果采用传统的三相六拍的结构变频器对电动机进行控制，由于电压过高，加上电力电子器件开关速度的提高，这样开关器件输出的值就会很大。由于电动机的绕组的中性点是不接地的，电动机每绕组对地存在分布电容，输出电压的变化相当于电容两端电压的变化，即对电容的频繁充放电，充放电对电动机定子绕组的绝缘将造成冲击，而且越大，冲击也越大。电压输出端的电压谐波很容易引起电动机发热而造成电机的损坏，再加上由于电力电子器件本身制造的原因很难达到我所需要的6KV或10KV的高压所以就必须对变频器的拓扑结构进行研究。 多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1980年的IEEEIAS年会上，日本长冈科技大学的A.Naba。等人提出了中性点钳位型（Neutral Point Clamped-NPC）的三电平电路结构[1]。基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对功率逆变器件和控制电路要求都很高，最初并未受到太多关注。直到90年代，随着GTO, IGBT的成熟应用和IGCT, IEGT等新型全控型器件的先后出现，以及以DSP为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压钳位方式，可将其分为二极管钳位型（Diode Clamped，又称中性点钳位型NPC）、电容钳位型（Capacitor Clamped）和单元级联型（Cascaded Multicell）三类[2]。 2 三电平变频器及其派生的方案 2.1 三电平变频器的工作原理