多电平逆变器及其原理概论

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1、多电平逆变器及其原理概论姓名：张庆杰学号：13103030117班级：13级应电3班摘要:对多电平逆变器的基本原理和多电平逆变器的各种拓扑进行了分析，同时指出了各类拓扑的优缺点。分析了已有多电平逆变器不同的载波PWM控制方法，重点研究了多载波PWM控制方法，并以二极管钳位式五电平逆变器为例进行了仿真研究。同时采用了三次谐波注入法，对输出波形的谐波进行改善。关键词：三次谐波;二极管钳位；多电平逆变器；调制技术引言20世纪50年代电力电子技术诞生以来，经过几十年的飞速发展，至今已被广泛应用于电力系统、电机调速等需要电能变换的领域。日本学者南波江章（A.Naba）于198

2、0年提出三电平中点钳位逆变器以来，引起人们的普遍关注。由于在节能、可靠性和性能指标等方面的巨大优势,使得它越来越多地被人们所采用。经过近30年的研发，很多学者相继提出了具有实际意义的多电平逆变器电路及多种多电平逆变器的调制控制方法。当前的多电平逆变器的主要结构有：H桥级联式（CascadedH-bridge）、电容箝位式（Capacitor-Clamped）、二极管箝位式（Diode-Clamped）、飞跨电容嵌位式（Flying-Capacitors）。为了更好地利用这项技术，许多研究人员提出了一些改进：在拓扑的研究方面，改进的主要方向是减少器件使用数量，并解决电

3、容电压的不平衡等问题;在控制方面，改进的主要方向是优化输出波形和算法等。1多电平逆变器种类及优缺点分析1.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式多电平逆变器是研究最早和应用最多的一种多电平逆变器。二极管钳位式多电平逆变器是通过串连的一系列电容将较高电压分成一系列较低的电压。一个M电平的二极管钳位多电平逆变器在直流侧需要M-1个电容。例如一个三相五电平二极管钳位式逆变器的一相，在其直流侧含有4个大小相同的电容C1,C2，C3和C4。若直流侧的总电压为1V，那么每个电容上分得的电压为V/4，并且通过钳位二极管的作用，每个开关器件上的电压应就限制在一个电容的电压

4、V/4上，这样逆变器合成的输出电压就可以相对地提高了。二极管钳位多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流侧设计比较简单。虽然开关器件被钳位在V/4电压上，但是钳位二极管却要承受不同倍数的V/4反向电压。如果使二极管的反向电压与开关器件相同，则每相需要的钳位二极管的个数为(M-1)(M-2)。这个数字随电平数的增加而快速增加，尤其是当器件是工作在高频状态，钳位二极管由于开关速度的限制，只能用IGBT或其它开关频率高的器件代替，这将增加成本，同时系统的可靠性也被削弱。因此，这种电路的实际应用中输出电平数不可能很高，一般被限制在五电平。比较分析，我们可以得到二极

5、管钳位型多电平逆变器优缺点如下。优点：(1)电平数越多，输出电压谐波含量越少，从而避免了滤波器的使用；(2)调制时，器件在基频下工作，开关损耗较小，效率高；(3)back-to-back连接系统控制比较简单。缺点：(1)需要大量的钳位二极管；(2)每个桥臂主开关器件的开关损耗都不同，需要的电流容量也不相等；(3)直流分压电容的电压不平衡。1.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点电容钳位式多电平逆变器也叫做飞跨电容钳位式多电平逆变器，它是由法国学者T·A·Maynard和H·Foch在1992年提出。飞跨电容代替二极管对功率开关进行钳位，因此就不存在二极管钳位型多电平逆

6、变器中的主、从功率开关管的阻断电压不平衡和钳位二极管反相电压不能快速恢复的问题。例如一个三相五电平电容钳位型多电平逆变器的一相。此逆变器的直流侧采用了一种阶梯型结构，每一层的电容的电压都与下一层的电容的电压不同。为能够产生M电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要M-1个电容。每相桥臂的结构必须相同，两层电容之间电压增加的大小决定输出波形中每阶比较分析，可以得到电容钳位式多电平逆变器优缺点如下。优点：(1)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(2)逆变器电平数易扩展,电压合成方面，开关状态选择具有较大的灵活性；(3)由于电容的引进，可通过在同一个电平上不同开关组合，使直流

7、侧电容电压保持平衡。缺点：(1)随着电平数的增加，需要大量的钳位电容，增加了系统的成本；(2)用于纯无功负载时，可能存在飞跨电容电压不平衡；(3)对有功功率变换，高频时逆变器的控制非常复杂，同时有很高的开关损耗。1.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式和电容钳位式多电平拓扑的提出，为利用低耐压型开关器件获得多电平高压输出提供了新思路，但同时也带来直流电容分压不平衡等一系列问题，控制也十分复杂。为此可采用多个独立的直流电容分压，输出多个电平的方式，即有独立直流电源的级联式逆变器。基于传统的二电平低压小容量桥式逆变器的级联多电平逆变器，采用串联若干个低压功