新型级联多电平逆变器

　　0 引言

　　随着中、高压大容量变频调速器和电力有源滤波器的大量应用，多电平逆变器已经成为当前电力电子技术中倍受人们关注的研究热点。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[1]等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式逆变电路;1983 年Bhagwat 和Stefanovic将三电平进一步推广到多电平拓扑结构。多电平技术发展至今，出现了大量的拓扑结构，目前高压变频器产品的拓扑结构主要为二极管中点箝位式[1]、飞跨电容式[2]和级联式[3]3类。这3种拓扑结构具有各自的特点以及优缺点。二极管箝位型多电平逆变器随着电平数的增加，其开关器件和箝位二极管的数量会大大增加。飞跨电容型因为使用大量飞跨电容，而大容量电容的体积较大，使得逆变器体积增大，并且存在电容充放电电压平衡问题，因此在实际中很少应用。级联H桥式逆变器，具有结构一致，维护方便等优点，得到了广泛的关注;但是级联式多电平逆变器需要大量的功率开关，以及多个直流源，导致其难以实现四象限运行，限制了其在实际中的应用。针对以上各种逆变器的不足，本文提出了一种新型混合级联式多电平逆变器。

　　1 新型级联式多电平逆变器

　　以五电平电路为例，新型级联式多电平逆变器的电路拓扑如图1所示。表1给出了在输出五电平的情况下，该电路所需元件数与传统的几种电路所需元件数的比较。

　　图1中的开关器件S3、S3'、S4和S4'构成了传统的级联H桥型电路拓扑。开关器件Sp1、Sp2、S1、S2、S2'以及电容C1、C2所构成的电路是在Peng Fang-zheng教授于2000年提出的统一化拓扑[4]的基础上简化而来的。统一化拓扑结构如图2所示。将这两部分结合起来就构成了新型级联多电平逆变器拓扑。如果将更多的器件按照图1的方式级联起来，而H桥型电路保持不变，即可得到更多的电平输出。可以看出新型拓扑相对于箝位二极管和飞跨电容型拓扑结构在所需器件上具有明显的优势，并且不存在电压平衡的问题。相对于传统的级联H桥式电路拓扑，新型拓扑结构的优势在于只需要一个直流电压源，解决了级联H桥式电路拓扑难以实现四象限运行的问题。

　　以输出五电平的逆变电路拓扑为例，分析各个开关器件的作用。开关器件Sp1、Sp2、S3、S3'、S4和S4'是逆变器的主开关。它们决定了输出电压的大小以及正负。S1和Sp1，S2和Sp2，S3和S4工作在互补状态。S2和S2'，S3和S3'，S4和S4'的工作时序相同。这样就只有4个可以独立通断的开关器件，即Sp1、Sp2、S3和S4，因此共有8种开关组合方式。可以在交流侧合成5 种有效的输出电压，分别为±2E、±E和0。