多电平逆变器技术介绍
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多电平逆变器技术介绍
摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词 多电平； 逆变器；钳位；级联H桥
德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。1992年，法国学者T. A.
Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。2000年由Fang
Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。1988年，M. Marche-soni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。2000年，M. D. Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变单元(即FBI或H桥)串联式多电平逆变器[1]。上述各种多电平逆变器的主电路结构形式，将在文中逐步进行介绍。
1、单电源供电
1.1中点钳位型多电平逆变电路
图1
如图1所示的中点钳位型多电平逆变电路的单臂电路为例，该单臂电路包括两个直流分压电容，两个钳位二极管和四个功率开关管。该单臂电路可以输出三个电平，即Udc/2，0，- Udc/2。当U0= Udc/2时，功率开关管S1和S2导通；当U0= -Udc/2时，开关管S3和S4导通；当U0= 0时，开关管S2和S3导通。若中点钳位型多电平逆变电路的电平数为n，则需要(n-1)个直流分压电容，每个桥臂需要2(n-1)个功率开关管和(n-1) (n-2)个钳位二极管。
1.2电容钳位型多电平逆变电路
电容钳位型多电平逆变电路是一种基本的多电平逆变电路结构，与二极管钳位型多电平逆变电路不同，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的电容进行钳位的。电容钳位型多电平逆变电路分为飞跨电容钳位多电平逆变电路和通用钳位式多电平逆变电路，其中飞跨电容钳位型是法国学者T.A.Meynard和H.Foch于1992年首先提出来的，而通用钳位型则是Fang.Z.Peng综合了多种钳位式多电平逆变电路的特性后，在2000年的IAS年会上提出来的一种多电平逆变电路形式。
（1）飞跨电容钳位多电平逆变电路 如图2所示的飞跨电容五电平逆变器的单臂电路，S1～S4、S1＇～S4＇为功率开关，C1～C3为钳位电容，每个电容都具有相同的容值和电压，C4为直流分压电容。飞跨电容型五电平逆变器的输出电压合成比二极管钳位型具有更多的灵活性，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。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。对于一个n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个钳位电容。
图2 飞跨电容五电平逆变器的单臂电路
（2）通用钳位式多电平逆变电路
这种拓扑是以电容钳位的半桥式逆变电路为基本单元，按照金字塔的结构形式组成的多级电路，其中每个基本单元的电压等级相同。基本单元可以是多种形式的电路，例如普通的两电平半桥式逆变电路、二极管钳位半桥式三电平逆变电路、电容钳位半桥式三电平逆变电路等。如图3所示的为普通的两电平半桥式逆变电路作为基本单元组成的通用钳位式五电平拓扑结构，其中开关管S11、S21、S31、S41、S18、S26、S34、S42及其反并联二极管为电路的主要器件，通过它们合适的开通和关断，可以产生希望 得到的电压波形。其余的开关管和二极管的通断则起到了钳位和平衡电压的作用。每一级受到的电压应力为Vdc，各级的电压平衡通过钳位开关管和钳位二极管实现。
图3通用钳位式五电平逆变电路
2、多电源供电
级联H桥多电平逆变电路
级联H桥多电平逆变电路是多电平逆变电路中常见的一种电路结构，图4为典型的级联H桥多电平逆变电路结构示意图，其由两个H桥子模块级联而成，因此称其为2H桥级联多电平逆变电路，通过控制两个H桥子模块开关的导通时序，从而实现多电平逆变功能。如图4，由两个H桥子模块构成的级联H桥多电平逆变电路，每一个H桥子模块都可以输出E、0和-E三种电平。以图4上边子模块为例，当S1、S4导通时，上边子模块输出高电平E；当S2、S3导通时，上边子模块输出低电平-E；当S1、S3或S2、S4同时导通时，上边子模块输出0电平；2H桥级联多电平逆变电路的总输出即为上边子模块和下边子模块输出电压之和，共有五个电平形式，即-2E、-E、0、E、2E，因而上述逆变电路也称为级联H桥五电平逆变电路。如果将所述H桥子模块的个数增加并仍然以级联的形式相连扩展，则可以实现更多级电平的逆变，例如3H桥、4H桥等，子模块数量的越多，整体电路输出的电平数量也越多，对于具有n个子模块的级联逆变电路，其输出电平数为2n+1。 图4 2H桥级联H桥多电平逆变电路
参考文献
[1]刘凤君.《多电平逆变技术及其应用》，机械工业出版社，2007年4月第1版.
[2] Asmaa EL-Hosainy,et al. A Review of Multilevel Inverter
Topologies，Control Techniques，and Applications, MEPCON, 2017: 1265-1275.
