半桥级联型多电平逆变器的控制

基 金 项 目 ：温 州 市 科 技 计 划 资 助 项 目 （G20100142） 定 稿 日 期 ： 2011-06-03 作 者 简 介 ： 夏 守 行 （1969 - ）， 男 ， 浙 江 温 州 人 ， 硕 士 ， 副 教 授，研究方向为信号处理、电源变换技术。
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图 1 逆变主电路结构
（2）开 关 功 率 器 件 耐 压 经 N 个半桥级联变 换，输出电压会较高，VS7～VS10 全桥耐压要高于级 联半桥各电源电压之和。但最后全桥工作频率等
终 累 加 得 出 各 电 源 功 率 消 耗 的 百 分 比 ，P1∶P2∶P3=
8 . 3 % ∶26 . 8 % ∶65 % ，显 然 这 种 控 制 方 式 电 源 功 率 是
不等的，如果功率最小的半桥电源由上一级电源
经直流变换器得到，则可减少总电源数。
如果每个半桥的供电等压，控制方式仍用连
（4）PWM 控 制 因半桥逆变部分功率器件数 减半，使得 PWM 控制对象也减 半 ，即 PWM 发 生 器和驱动数减半，降低了软件计算量，减少了系统 资源消耗。
（5）功 率 器 件 开 关 数 半桥逆变部分功率器 件数减半，在 PWM 控制时，即减少了一半的功率 器件开关总数，降低了开关损耗，最后的全桥主要 是通态损耗。
等分成 n 个点值，再对 M=1 的正弦波幅度分级，
级数为 2N-1，即半周阶梯数（零电平除外）。正弦
波级间幅度差值为 1/（2N-1），将正弦波值与该差
值比较，用四舍五入函数 round 取值，得 A/D 转换
值 Dn=round[（2N-1）Msin（nπ/a）]。在软件算法中， 将 Dn 转为二进制数，按序定时并行输出即为控制 波形，经隔离驱动至主电路 变 换 ，即 D/A 转 换 逆
若将 H 桥改为半桥 [5]，每 个 半 桥 输 出 两 个 电 平，如“E，0”或“-E，0”，相反的电平可由最后的全 桥极性转换电路来完成。由于半桥不会输出相反 的电平，因此主电路的驱动电源可用逐级自举的 方法得到，以减少驱动电源数从而简化电路。
2 逆变主电路
主电路是一个半桥级联型电路，如图 1 所示。 将其与常规 H 全桥级联多电平逆变器进行比较：
内，T1～T7 各时段内输出电流与时间形成的面积， 即电量为：
乙 乙乙Q1=Imax
T1
sinωtdt
0
乙 乙乙乙Q2=Imax
（T2+T1）
sinωtdt
T1
乙…
乙 乙乙乙Q7=Imax
（T1+…T7）
sinωtdt
（T1+…T6）
（8）
解得 Q1∶Q2∶…∶Q7≈3.4∶9.8∶17.5∶26∶39∶58∶164。
波函数为：
us=MAmaxsinωt
（1）
式 中 ：t ∈[0，π/ω）；M 为 调 制 度 ，M ∈[0，1]；Amax 为 交 流 电
最大值，可取 Amax=1。
取点函数为：
∈ ∈ usn=Msin
nπ a
（2）
式中：a 为半周内 A/D 转换总点数；n 为整数，且 n∈[0，a）。
一个点形成一个数据，即将正弦半波按时间
∈∈if（usn≥uVS1，“5”，“4”），q1=4，T5 时段 ∈∈if（usn≥uVS3，“6”，“4”），q2=4，T6 时段 ∈if（usn≥uVS1，“7”，“6”），q1=6，T7 时段
（7）
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第 46 卷第 1 期 2012 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
图 2 倍增电源连续 SPWM 控制
表 1 开关组合工作状态
器件
VS1 VS3 VS5
T1 PWM
0 0
T2 0 PW PWM
T5 PWM
0 1
T6 0 PWM 1
T7 PWM
1 1
VS1 的调制三角波斜率方程为：
k
=
±
11/（/（22N-fs）1）=±
2fs 2N-1
第 46 卷第 1 期 2012 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.46， No.1 January 2012
半桥级联型多电平逆变器的控制
夏守行 （浙江工贸职业技术学院，电子工程系，浙江 温州 325003）
摘 要 ：对一种半桥级联型多电平逆变器，分析了 A/D 转换、连续 SPWM 和循环脉冲 SPWM 等 3 种 PWM 控制方
（6）
设 N=3，SPWM 调制数据为：
∈if（usn≥uVS1，“1”，“0”），q1=0，T1 时段
∈∈if（usn≥uVS3，“2”，“0”），q2=0，T2 时段 ∈∈if（usn≥uVS1，“3”，“2”），q1=2，T3 时段 Dn=∈if（usn≥uVS5，“4”，“0”），q3=0，T4 时段
（1）逆 变 输 出 电 平 数 若 E1∶E2∶E3=1∶2∶4，即为 倍增关系，3 个半桥变换输出可组合出 8 个电平， 其中一个是零电平，经极性转换后，共输出 15 个 电平，电平数为 2N+1-1=15 个，N 为级联数。若 E1∶ E2∶E3=1∶1∶1，即等压关系，逆变输出为 7 个电平，电 平数为 2N+1 个。从电平数上讲，与常规 H 桥级联 型多电平逆变器是相同的。
变。当 M=1 时，逆变输出交流电电压最高，改变 M
值，就能得到代表不同逆变输出电压的数据表。
3.2 连 续 SPWM 方 式 控 制 当主电路级联数不多 时 ，D/A 转 换 逆 变 输 出
谐波会增大，这时就需加入 SPWM 调制控制。 当电源电压为倍增关系时，调制方法如图 2
所示，图中未画出与正弦波不相交的三角波部分， 各时段的三角波在半周内是一直存在的。在某一 时段内，生成的 SPWM 脉冲是连续加在某一级半 桥上的，属于多载波 SPWM 方式。开关器件具体 工作状态如表 1 所示。
Vol.46， No.1 January 2012
式中：if 函数定义为：如果条件满足，结果为前一个数据，
否则为后一个数据。
三角波方程时间应由 usn 决定，即 t=nπ/（aω）， 最后也将 Dn 转为二进制数，按序定时并行输出即 为控制波形。逆变输出经 LC 滤波后，输出电压与
电流近似正弦曲线。设负载为纯阻性，在 1/4 周期
式中：fs 为三角波频率。
则 VS1 的调制三角波方程为：
∈ uVS1=
k（t-bTs）+q1/（2N-1） -k[t-（b-0.5）Ts]+（q1+1）/（2N-1）
（3） （4）
式中：Ts 为三角波周期；q1∈[0，2，…，2N]；b∈[0，1，2，3，…）。
同理 VS3 的调制三角波方程为：
∈ uVS3=
2k（t-bTs）+q2/（2N-1） -2k[t-（b-0.5）Ts]+（q2+2）/（2N-1）
（5）
式中：q2∈[0，4，…，4N]，q2＜2N。
VS5 的调制三角波方程为：
∈ uVS5=
4k（t-bTs）+q3/（2N-1） -4k[t-（b-0.5）Ts]+（q3+4）/（2N-1）
式中：q3∈[0，8，…，8N]，q3＜2N。
式，以及其波形产生方法，计算了各种控制方式的电源功率分配比。对于电压等级不太高的电压型电力开关器
件逆变，可用逐级自举的方法，用很少的驱动电源就能满足主电路的驱动。相比传统 H 桥级联型多电平逆变
器，简化了主电路和驱动电路。通过实验验证了该控制和方法是可行的。
关 键 词：逆变器；半桥；脉宽调制；驱动电源
Ts/4 内，T1～T7 各时段内负载消耗能量为：
乙 乙乙WT1=
T1
RL（Imaxsinωt）2dt
0
乙 ≈乙乙WT2=
（T2+T1）
RL（Imaxsinωt）2dt
T1
乙…
乙 乙乙乙WT7=
（T1+…T7）
RL（Imaxsinωt）2dt
（T1+…T6）
（9）
由 式 （9）可 解 出 T1～T7 各 时 段 内 负 载 消 耗 能
中 图 分 类 号 ：TM464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2012）01-0040-04
Control of Half-bridge Cascading Multi-level Inverter
XIA Shou-xing
（Zhejiang Industry & Trade Vocational College，Wenzhou 325003，China） Abstract：For a kind of half-bridge cascading multi-level inverter，three control methods of pulse width modulation （PWM），A/D conversion，continuous SPWM and rotary pulse SPWM，as well as production methods of these three kinds of control waveforms，and calculated power distribution ratio of power source for each control way are analyzed. For voltage-type electric switch component，bootstrapping can be adopted to embody the driving of all main circuits by a few driving power pared with a traditional H-bridge cascading multi-level inverter，it simplifies main and driving circuits.Experiments are made to validate the feasibility of these control methods. Keywords：inverter；half-bridge；pulse width modulation；driving circuit Foundation Project：Supported by the Science and Technology Plan Projects of Wenzhou（No.G20100142）