一种新型H桥式五电平逆变器电压平衡控制

阮会 李帆

（中国船舶重工集团公司第712研究所， 武汉430064)

近年来随着电压等级的不断上升，传统的两电平逆变器，甚至三电平逆变器已经不能满足元器件耐压及绝缘等方面的要求，更高电平数的逆变器得到了越来越广泛的应用。而由于二极管箝位式多电平逆变器存在着直流侧电容电压平衡问题[1，2]，三电平以上的多电平逆变器主要以H桥形式为主。本文提出了一种新型的H桥式五电平逆变器，分析了其工作原理并得出了其直流侧电容电压平衡控制策略。

1 拓扑结构及工作原理

该H桥式逆变器单桥臂的拓扑结构见图1。

其工作原理如下：设电流如图 1所示的方向为正。

则当电流为正时，开通 IGBT1，保持IGBT2关断。

① 开通SCR1、SCR7，输出电压为V5；同时开通 SCR5、SCR9，将 Vout箝位至 V4。

② 开通 SCR5，输出电压为 V4；同时开通SCR3，将Vout箝位至V3。

③ 开通 SCR7，输出电压为 V3；同时开通SCR9，将Vout箝位至V2。

④ 关断所有SCR时，IGBT1自动在V2、V1间进行PWM调制。

当电流为负时，开通 IGBT2，保持 IGBT1关断。

① 开通SCR4、SCR10，将Vout接至 V1；同时开通SCR6、SCR8，将Vout箝位至V2。

② 开通 SCR6，将 Vout接至 V2；同时开通SCR2，将Vout箝位至V3。

③ 开通 SCR10，将 Vout接至 V3；同时开通SCR8，将Vout箝位至V4。

④ 关断所有SCR时，IGBT2自动在V4、V5间进行PWM调制。

图2为该型逆变器一个桥臂工作时输出的电压波形图。

图3和图4为工作时IGBT上的电压波形图。

2 各开关状态对直流侧电容电压的影响[3，4，5]

直流侧电容电压的平衡问题是除了带独立电源型的逆变器外，每一种多电平逆变器拓扑结构都要面对的一个问题。即使是飞跨电容型逆变器和H桥式也必须通过合适的冗余状态的选择来解决该问题。

图1 新型H桥式五电平逆变器单桥臂拓扑结构

图2 输出电压波形

图3 IGBT1上的电压波形

图4 IGBT2上的电压波形

当直流侧电容电压不平衡时，会导致一些电容电压上升，一些电容电压下降，使输出电压的谐波分量增大。如果在控制中不采取相应的措施而任由其发展，会导致电平数目的退化，严重的甚至会击穿功率器件。因此直流侧电容电压平衡问题是多电平逆变器控制中必须要考虑的一个非常重要的问题。本节将详细分析该型逆变器每一种输出电压下各开关状态对电容电压的影响，以得出其控制策略。

将五电平逆变器的输出电压按电压等级分为四个区间，分别为：0-E、E-2E、2E-3E、3E-4E。下面分别对其分析，得出各开关状态对电容电压的影响。

2.1 输出电压在0-E之间变化

当输出电压在0-E之间变化时，总共有四种输出状态：分别为 AV2对 BV1、AV3对 BV2、AV4对BV3、AV5对BV4。

当AV2对BV1时，若电流为正，有两种开通方式：

① 保持IGBT4开通，IGBT1进行PWM调制。当 IGBT1开通时，输出电压为 E，相当于V2对V1充电，V2电位降低；当IGBT1关断时，输出电压为0。

② 保持IGBT1开通，IGBT4进行PWM调制。当 IGBT4开通时，输出电压为 E，相当于V2对V1充电，V2电位降低；当IGBT4关断时，输出电压为0。

若电流为负，也有两种开通方式：

① 保持IGBT2开通，IGBT3进行PWM调制。当 IGBT3开通时，输出电压为-E，相当于V2对V1充电，V2电位降低。当IGBT3关断时，输出电压为0。

② 保持IGBT3开通，IGBT2进行PWM调制。当 IGBT2开通时，输出电压为-E，相当于V2对V1充电，V2电位降低。当IGBT2关断时，输出电压为0。

同理，可以得出AV3对BV2时，相当于V3对 V2充电，V3电位下降，V2电位升高；AV4对BV3时，相当于V4对V3充电，V4电位下降，V3电位升高；AV5对BV4时，相当于V5对V4充电，V5电位下降，V4电位升高。

综上所述：当所需输出电压不大，在0-E之间变化时，总是处于高电位的电容对处于相邻低电位的电容进行充电，导致Vn+1下降，Vn上升。如表1所示。

表1 当输出电压为0-E之间时开关状态对各电位的影响

从表1中可以看出，如果所需输出电压一直保持在0-E之间，则只需要轮流使用四种输出状态，即可保持电容电压的平衡。

2.2 输出电压在E-2E之间变化

当输出电压在 E-2E之间变化时，总共有三种输出状态，分别为：AV3对BV1、AV4对BV2、AV5对BV3。

当 AV3对 BV1时，若电流为正，有两种开通方式：

① 保持IGBT4开通，IGBT1进行PWM调制，当 IGBT1开通时，输出电压为 2E，相当于V3对V1充电。V3电位降低；当IGBT1关断时，电路箝位到 AV2，输出电压为 E，相当于 V2对V1充电。V2电位降低。

② 保持IGBT1开通，IGBT4进行PWM调制，当 IGBT4开通时，输出电压为 2E，相当于V3对V1充电。V3电位降低；当IGBT4关断时，电位箝位到 BV2，输出电压为 E，相当于 V3对V2充电。V3电位降低，V2电位升高。

若电流为负，也有两种开通方式：

① 保持IGBT2开通，IGBT3进行PWM调制。当 IGBT3开通时，输出电压为-2E，相当于V3对V1充电。V3电位降低。当IGBT3关断时，电路箝位到 BV2，输出电压为-E，相当于 V2对V1充电。V2电位降低。

② 保持IGBT3开通，IGBT2进行PWM调制。当 IGBT2开通时，输出电压为-2E，相当于V3对V1充电。V3电位降低。当IGBT2关断时，电路箝位到 AV2，输出电压为-E，相当于 V3对V2充电。V3电位降低, V2电位升高。

同理，当AV4对BV2时也对应着两种开通状态，其实质分别为：V4、 V3分别对 V2充电以及V4分别对V2、V3充电；AV5对BV3时的两种开通状态的实质分别为：V5、 V4分别对V3充电以及V5分别对V3、V4充电。

综上所述，当所需输出电压位于 E-2E区间时，如只选择一种输出方式，则Vn+1电位一定下降，Vn-1电位一定上升，Vn的电位变化视负载情况而定，但总的来说可以对Vn的电位作一定的补偿。如表2所示。

表2 当输出电压为E-2E之间时开关状态对各电位的影响

如果综合使用三种输出方式，只要选择合理，则一定可以实现电容电压的平衡控制。

2.3 输出电压在2E-3E之间变化

当输出电压在2E-3E之间变化时，总共有两种输出状态，它们分别为：AV4对BV1、AV5对BV2。

（A）在AV4对BV1的输出状态下，若电流为正，有两种开通方式：

① 保持IGBT4开通，IGBT1进行PWM调制，当 IGBT1开通时，输出电压为 3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低；当IGBT1关断时，电路箝位到AV3,输出电压为2E，相当于V3对V1充电。V3电位降低。

② 保持IGBT1开通，IGBT4进行PWM调制，当 IGBT4开通时，输出电压为 3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低；当IGBT4关断时，电位箝位到BV2,输出电压为2E，相当于V4对V2充电。V4电位降低，V2电位升高。

在AV4对BV1的输出状态下，若电流为负，也有两种开通方式：

① 保持IGBT2开通，IGBT3进行PWM调制。当 IGBT3开通时，输出电压为-3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低。当IGBT3关断时，电路箝位到 BV3,输出电压为-2E，相当于 V3对V1充电。V3电位降低。

② 保持IGBT3开通，IGBT2进行PWM调制。当 IGBT2开通时，输出电压为-3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低。当IGBT2关断时，电路箝位到AV2,输出电压为-2E，相当于V4对V2充电。V4电位降低, V2电位升高。

同理，当AV5对BV2时也对应着两种开通方式，其实质分别为：V5、V4对 V2充电以及 V5对V2、V3充电。

综上所述：当所需输出电压位于2E－3E时，V4电位下降、V2电位上升两种变化趋势至少发生一种，不能达到平衡。V3电位视负载情况而定。如表3所示。

表3 当输出电压为2E-3E之间时开关状态对各电位的影响

2.4 输出电压在3E-4E之间变化

当输出电压在3E-4E之间变化时，只有一种输出状态，即AV5对BV1。

若电流为正，有两种开通方式：

① 保持IGBT4开通，IGBT1进行PWM调制，当 IGBT1开通时，输出电压为 4E，相当于V5对V1充电。当IGBT1关断时，电路箝位到AV4，输出电压为3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低。

② 保持IGBT1开通，IGBT4进行PWM调制，当 IGBT4开通时，输出电压为 4E，相当于V5对V1充电。当IGBT4关断时，电位箝位到BV2，输出电压为3E，相当于V5对V2充电。V2电位升高。

若电流为负，有两种开通方式：

① 保持IGBT2开通，IGBT3进行PWM调制。当 IGBT3开通时，输出电压为-4E，相当于V5对V1充电。当IGBT3关断时，电路箝位到BV4，输出电压为-3E，相当于V4对V1充电。V4电位降低。

② 保持IGBT3开通，IGBT2进行PWM调制。当 IGBT2开通时，输出电压为-4E，相当于V5对V1充电。当IGBT2关断时，电路箝位到AV2，输出电压为-3E，相当于V5对V2充电。V2电位升高。

综上所述：当所需的输出电压在3E-4E之间变化时， V4电位降低、V2电位升高，两种变化趋势至少发生一种，均不能达到平衡。见表4。

表4 当输出电压为3E-4E之间时开关状态对各电位的影响

3 控制策略

综合上文所提到的各输出状态对各点电位的影响，总结我们的控制思路为：当输出电压为0-E时，轮流使用四种输出状态以及每种状态的两种开关方式； 当输出电压为E-2E时,选用A3-B1①、A3-B1②、A5-B3①、A5-B3②四种开关方式，且在A3-B1①、A3-B1②的开关方式中保证V2点电位不变，仅允许 V3电位下降。在 A5-B3①、A5-B3②的开关方式中保持V4电位不变，仅允许V3电位上升。这样，在四种开关方式中，即可保持各点电位不变；当输出电压为 2E－3E时，尽量选择A5-B2②的开关方式，因为其余的开关方式将引起V4点电位的变化，而A5-B2②仅会引起 V2、V3点的电位变化。而 V2、V3的调节远比V4的调节来得容易。同样的道理，在输出状态为 3E-4E时，选用A5-B1②开关状态。

:

[1]高跃, 李永东. 二极管箝位型五电平逆变器电容电压平衡域的研究. 变频器世界, 2007(2):32-38.

[2]洪春梅, 王广柱. 五电平逆变器直流侧电容电压的平衡与控制. 电机与控制学报, 2003(3).

[3]Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation. 2001 IEEE 1:802-806.

[4]Sun-Kyoung Lim and Jun-Ha Kim . A DC-link Voltage Balancing Algorithm for 3-level Converter Using the Zero Sequence Current. 1999 IEEE 4:1083-1088

[5]Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation 2002 IEEE 2:920-925.