新型低電壓應力的電容自均衡七電平逆變器

劉俊峰 祝祥開 曾君

摘 要：針對傳統多電平逆變器存在的功率器件電壓應力高以及電容電壓平衡困難的問題，提出一種七電平逆變器拓撲。采用同相層疊脈寬調制策略，研究了開關電容技術與傳統多電平逆變器結構的結合，實現七電平電壓輸出。所提七電平逆變器后端不使用全橋結構得到負電平，開關器件的電壓應力小;電容電壓能實現自均衡，無需使用傳感器檢測電容電壓，避免了復雜的控制策略和額外的控制回路;可以工作在不同調制因數下;可通過級聯來實現更多的輸出電平。討論了逆變器的工作原理、調制策略以及器件電壓應力，設計了仿真與實驗樣機對理論分析結果進行了驗證。

關鍵詞：多電平逆變器;開關電容;電壓自均衡;低電壓應力;脈寬調制

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.012

中圖分類號：TM 464文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0097-09

Abstract：To solve the problems of high voltage stress in power devices and capacitor voltage unbalance in the traditional multilevel inverter， a sevenlevel inverter topology is proposed. Phase disposition pulse width modulation was adopted for the topology. The combination of switched capacitor technology and the traditional multilevel inverter was studied to synthesize seven levels. The proposed topology can generate negative levels without using Hbridge， and has reduced blocking voltage. The voltage of capacitors can be selfbalanced without using complex control algorithm and additional control circuit. The proposed topology is a sensorless configuration. Additionally， the proposed inverter can be operated under different modulation indexes， and output more levels by using the cascade construction. The working principle， modulation strategy and voltage stress of the power devices were discussed. Simulation and experimental prototypes were designed to verify the theoretical analysis results.

Keywords：multilevel inverter; switched capacitor; voltage selfbalance; lowvoltage stress; pulse width modulation

0 引 言

近年來，多電平逆變器發展成為重要的電力電子裝置，廣泛應用于光伏、風能等新能源系統中[1-3]。相比于傳統的兩電平逆變器，多電平逆變器具有以下優勢：更多的電平輸出;更低的功率器件應力;更低的電磁干擾;更高的效率;更小的總諧波失真（total harmonic distortion， THD）等[3]。

傳統的多電平逆變器可以分為三類：二極管箝位（neutral pointclamped inverter，NPC）[4-5]，飛跨電容（flying capacitor inverter， FC）和級聯H橋（cascaded hbridge，CHB）[6]。當輸出較多電平時，NPC需要大量的箝位二極管以及開關管，并且存在電容的平衡問題[7]。FC輸出N電平時，需要NSymbolm@@1個單元，需要大量電容，這使得系統成本的提升。在低頻應用中，電容需要更大的容量，此時NPC比FC更具有優勢[8]。相比于NPC和FC，CHB不需要箝位二極管，器件的應力小，但需要多個獨立的輸入電源[9]。文獻[10]提出一個通用的多電平逆變器拓撲，該拓撲具有電壓自平衡能力，每個電容電壓可以自均衡，不需要額外的輔助回路。NPC以及FC均可以從通用拓撲中推導出來，但是通用拓撲需要大量的功率器件。

為了進一步減少THD，輸出更多電平，減少開關應力，文獻[8]、文獻[11-13]在傳統逆變器基礎上，提出了一系列混合逆變器。文獻[11]提出有源中點箝位（active neutralpointclamped， ANPC）混合逆變器，結構上結合NPC和FC，具有NPC的魯棒性以及FC的靈活性。文獻[12]提出一個五電平逆變器，結合飛跨電容以及H橋結構，利用冗余的狀態控制電容電壓平衡，功率器件的應力減少。文獻[8]、文獻[13]提出的逆變器對文獻[12]的結構進行擴展，輸出更多的電平，并且具備容錯能力。以上提到的混合逆變器需要使用傳感器檢測電容電壓，依靠冗余的狀態實現電容電壓的平衡。文獻[14-15]提出了無傳感器的混合逆變器，不使用傳感器，依靠冗余的狀態實現電容電壓的自平衡，但是這些混合逆變器不具備升壓的能力，輸出電壓幅值不高于輸入電壓。