一种基于磁耦合的三电平逆变器拓扑

刘念洲，袁 洋



一种基于磁耦合的三电平逆变器拓扑

刘念洲，袁 洋

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

大功率电力电子变流装置通常采用硬开关电压型逆变器，逆变器中功率器件开关损耗较大、输出电压变化率大，对逆变器的散热和负载的绝缘造成了较大的压力，间接限制了逆变器的功率等级提升。本文提出了一种基于磁场耦合的三电平逆变器拓扑电路及其调制方法，负载等效开关频率提高一倍，负载的电平跳变数也相应增加。通过仿真和试验测试，验证了此电路拓扑的有效性和实用性。

磁耦合 三电平 逆变器拓扑

0 引言

基于脉宽调制(PWM)技术的电压型逆变器广泛应用各类电力电子装置，然而由于功率器件自身的非理想特性，大功率硬开关逆变器通常采用2～4kHz的器件开关频率以避免器件的热负荷超过其耗散能力。较低的开关频率导致负载开关次电流较大，且该频率位于人耳敏感听力范围内，产生负载噪声会降低操作者的舒适度。同时，由于功率器件高开关速度，逆变器输出的电压变化率往往可达数千伏每微秒，给逆变器负载的绝缘造成了较大的压力，往往需采用体积较大的LCR型滤波器进行滤波。

本文以采用PWM技术的电压型逆变器为研究对象，通过分析其输出电压的数学模型及负载上的电压分配关系，提出了一种采用磁耦合实现三电平输出的逆变器拓扑，采用该拓扑可以通过普通两电平逆变器实现负载上的三电平电压输入，同时负载上等效开关频率提高一倍，从而有效地降低负载侧的高频电流和电压变化率。仿真和试验证明了该拓扑的有效性和实用性。

1 耦合多电平电路分析

1.1 PWM逆变器负载电压分析

基于PWM技术的电压型逆变器输出至负载的电压由逆变器多个桥臂作用于负载的电压的矢量合成，对只存在两个桥臂的H桥逆变器，其电压即为两个相桥臂的参考电压之差，其物理意义及数学表达较为简洁，因此本文采用H桥逆变器作为基本分析单元。两电平H逆变器电路如图1所示。

采用单极倍频的自然采样的两电平H桥逆变器输出电压为例进行，负载侧电压数学表达如公式(1)所示[1]。

(1)式(1)中：V—直流电压的一半；—调制比；0—参考波频率；ω—载波频率；—载波初始相位角；Φ—参考波初始相位角。

图1 两电平H桥逆变器电路图

分析可知，当采用初始角度分别为1和2的两个载波对同一参考波进行调制，逆变器输出基波相位相同，但高频谐波之间存在相位差，对两倍载波频次的边频带各次谐波的相位差均为2(1-2)，对四倍载波频次的边频带各次谐波相位差为4(1-2)。如采用两个参考波相位相同而载波相位不一致的H桥逆变器向同一负载供电，其高频电流将存在相位差。

1.2具有磁耦合元件的负载电压特性分析

应用型人才的培养离不开实验实训场所，一方面加强校内实验室建设，按照工作环境和工作要求建立校内仿真实验室，模拟工作环境对学生进行专业实践方面的训练。另一方面，积极拓展校外实践基地，与企业、工厂等单位合作建立大学生实践基地，将部分实践性课程搬入实践基地组织教学［4］。

在具有磁耦合元件的电路中，可以通过磁场耦合使不同支路的电流产生耦合，改变电路中负载阻抗上的电压电流特性。本文中以如图2所示的电路分析磁耦合元件向负载供电时负载上的电压特性。

图2 具有磁耦合元件的双电源供电电路

对图2电路列写电路方程如公式(2)所示。

由公式(2)可以解得负载上的电压表达式如公式(3)所示。

式(2)和式(3)中：1和2—两个交流电源电压；1和2—两个交流电源电流；1和2—两个线圈自感；12—耦合元件互感；—负载阻抗；—电源角频率；U—负载上电压。

当耦合元件自感相等并且全耦合时：如两电源同相位，负载上电压与两电源电压同相位；如两电源相位互差180°，负载上电压为零。

采用两个参考波相同、载波错90°相位的两电平H桥逆变器并联向同一负载供电，按图2方向串入磁性耦合元件供电则可消除负载上的两倍载波频次的边频带各次谐波，从而达到使开关频率加倍的效果。

本文以采用单极倍频调制的H桥逆变器为例进行分析，但各种PWM逆变器基本原理一致，文中方法同样适用于其它形式的PWM逆变器，仅需根据其谐波成分改变载波的初始相位可得到同样的效果[2,3]。

2 仿真与试验验证

根据本文分析搭建如图3所示仿真电路，两H桥逆变器参考波相同，载波错90°电角度，开关频率为2kHz，负载电压及频谱分析如图4所示。

图 3 磁耦合逆变器仿真电路

由图4可知负载上电压呈三电平特性，高频成分为4倍的开关频次及其边波带，与本文分析一致。

根据仿真结果搭建实物平台进行验证，试验波形如图5所示，其中通道一为负载上电压，通道二为一相逆变器直接输出的电压。 试验结果表明逆变器直接输出为两电平电压波形，而负载电压为三电平电压，与本文中分析及仿真结果相吻合。

3 结论

本文提出了一种基于磁场耦合的三电平逆变器拓扑，通过两电平逆变器得到了负载上的三电平电压，同时使负载等效开关频率提高一倍。采用该拓扑，可以有效地降低开关器件应力，降低负载的绝缘压力。仿真及试验证明了本文所提出三电平逆变器拓扑的正确性。本文所提出的逆变器拓扑在大功率逆变器的设计中具有广泛的推广应用前景。

[1] 周克亮.电力电子变换器PWM技术原理及实践.人民邮电出版社, 2010年2月第一版

[2] H.W.Van der Broeck and H.C. Skudelny, “Analytical analysis of the harmonic effects of a PWM ac drive,” IEEE Trans on Power Electronics, 1988, 3(2): 216-223.

[3] J.T. Boys and P.G. Handley, “Harmonic analysis of space vector modulated PWM waveforms,” IEE Proceedings (London), 1990,137(4): 197-204.

A Three-level Inverter Topology Based on Magnetically Coupling Theory

Liu Nianzhou, Yuan Yang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Hard-switch voltage source inverter(VSI) is generally used as high-power power electronics device. VSI generates high switching loss and dv/dt, and this limits ingrading the power-grade level of VSI. This paper puts forward a three-level inverter topology based on magnetic coupling theory and the modulating method. The output switch-frequency is doubled and the number of output voltage-level increases one level. The simulation and experiment verifies the topology.

magnetic coupling; three-level inverter; inverter topology

TM464

A

1003-4862（2016）04-0051-03

2015-12-23

刘念洲(1979-)，男，高级工程师，研究方向电力电子与电力传动。