一种基于倍压电路的七电平单相逆变器设计与仿真

付永升 黄海波 胡文婷 雷 鸣



一种基于倍压电路的七电平单相逆变器设计与仿真

付永升1黄海波1胡文婷2雷 鸣2

（1. 西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021；2. 湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442002）

本文针对单电平逆变器输出电压总谐波失真大的问题，提出一种新颖的七电平逆变器拓扑结构。通过控制Mosfet的开关完成调节母线电压的功能，实现了七电平单相逆变器。相比于传统的七电平逆变器本拓扑使用较少的开关管，并减小部分开关器件的电压应力有效降低了开关损耗，提高了系统的稳定性。同时本系统电压增益可达到3～30倍宽范围稳定增益，尤其适用于低输入电压下的逆变器。最终本文通过PSIM搭建仿真电路验证了系统的可行性。

倍压电路；多电平；逆变器；电压增益

随着环境污染严重、能源危机等问题的出现，发展新能源发电技术越来越多吸引了众多的研究学者。传统的逆变器采用两电平逆变，利用单一直流源通过对桥式链接开关管的PWM控制，其输出的正弦交流电含有较大的谐波分量。因此提出多电平逆变器（multilevel inverters, MLIs）的应用。

多电平逆变器可有效改善电能质量，降低谐波含量，目前多电平逆变器在电力电子应用中得到了全面的研究[1-3]。并且在开关器件使用中低压开关与高压开关相比较，低压开关器件可更好地处理高开关频率对系统带来的负面影响[4]。而低电压开关器件更适合于多电平逆变器，其可有效减小开关损耗，降低系统的电磁干扰（EMI）。以增大系统效率并提高系统的稳定性，尤其在高功率逆变系统中多电平逆变器具有更好的性能并应用广泛[5-6]。传统的多电平逆变器有3种拓扑结构：①二极管钳位式逆变器（diode clamped multilevel inverters, DCMLIs）[7-8]； ②飞跨电容式逆变器（flying capacitor multilevel inverter, FCMLI）[9]；③级联H桥逆变器（cascaded H-bridge multilevel inverters, CHBMLI）[10]。级联H桥相比于二极管钳位式逆变器则需要较少的开关开可获得相同的电压等级。然而实现多电平逆变需要多个外围电路，并且控制逻辑随着电平数的增多也会变的更为复杂。飞跨电容式逆变器与二极管钳位式逆变器相似，都需要额外的开关管及其开关状 态[11]。然而以上多电平逆变器拓扑结构需要较高电压等级的直流母线电容及较多的器件，减小了系统的能量密度。因此，减少电容体积、开关管及外围电路的数量是多电平逆变器的一个新的研究热 点[12-13]。

基于以上方面本文提出一种采用倍压电路的七电平逆变器。前级使用Boost升压电路输出稳定的直流电压，其次采用三级倍压电路，可使直流母线电为输入电压3/()倍（为Boost升压电路占空比）。相比其他逆变电路其控制简单，开关管的电压应力小、母线电容电压应力小有效的增大了系统的稳定性及其能量密度。

1 七电平逆变器工作原理介绍

图1所示为本文提出的七电平逆变器拓扑结构。其包括主电路和辅助电路。电感1、二极管D1及开关管S1构成Boost升压主电路，S10—S13构成全桥单相逆变主电路。辅助电路由8个开关管（S2—S8）与3个电容（2—3）组成。当系统处于稳定状态时输出电压决定于系统的调制比a。输出电压ab有7种运行状态：3boost t、2boost、boost、0、-3boost t、-2boost、-boost。电压boost为前端Boost电路的输出。其中，boost=in×1/(1-)，为Boost升压电路占空比。因此全桥逆变输出电压最大时为输入直流电压的3×(1-)倍，1＞＞0。

图1 本文提出的七电平逆变拓扑结构

图1所示逆变器输出电压可直接由Boost电路中开关管S1的占空比决定。在此假设逆变器SPWM调制比为a，则逆变器输出电压out-max可由式（1）得出，即

因此在Ma为常数时逆变器输出电压的最大值可直接通过调节Boost电路占空比完成。系统控制方法如图2所示。

开关管的开关状态与输出电压之间的关系见表1。其中Boost升压电路可独立工作。

表1 开关状态与输出电压关系表

如表1所示，本系统七电平逆变器由7种状态交替变换完成。H桥输出波形如图3所示。

图3 H桥输出波形

当在正半周开关管工作状态为ABBA时H桥输出电压等级为+1，工作状态为BCCB时H桥输出电压等级为+2，工作状态为CDCD时，H桥输出电压等级为+3。当在负半周输出电压等级为-1、-2、-3时，开关管的工作状态分别为EFFE、FGGF和GHGH。其输出经过LC滤波电路可得完整的正弦交流电。

2 工作状态分析

本文设计的七电平逆变器其不同电平状态主要由开关管S2—S9及电容2、3与4完成。通过变换开关管的开通状态改变电容的串并联结构，可实现改变母线电压的功能。图4分别展示了7种状态时电路的工作原理。状态A和E表示输出为0时的状态、状态B和F表示输出为±1时的状态、状态C和H表示输出为±2时的状态、状态D和G表示输出为±3时的状态。7个输出状态形成一个工频交流周期。

状态A：开关管S1导通，输入电压in向电感1储存能量。开关S10与S12导通，输出电压ab为0。电容2、3、4能量保持不变。

状态B：开关S1关断，输入电压in与电感1同时向H桥提供能量。开关S2、S4、S5、S7、S8、S9导通。电容2、3、4并联其两端电压均被充满至boost，此时母线电压等于boost。开关S10与S13导通，输出电压为boost。

状态C：开关S3、S5、S7、S8、S10导通。电容2、3串联同时4断开，母线电压等于2boost。开关S10与S13导通，输出电压为2boost。

状态D：开关S3、S5、S6导通。电容2、3、4串联，母线电压等于3boost。开关S10与S13导通，输出电压为3boost。

状态E：开关管S1导通，输入电压in向电感1储存能量。开关S11与S13导通，输出电压ab为0。电容2、3、4能量保持不变。

状态F：开关S1关断，输入电压in与电感1同时向H桥提供能量。开关S2、S4、S5、S7、S8、S9导通。电容2、3、4并联其两端电压均被充满至boost，此时母线电压等于boost。开关S11与S12导通，输出电压为-boost。

状态G：开关S3、S5、S7、S8、S10导通。电容2、3串联同时4断开，母线电压等于2boost。开关S11与S12导通，输出电压为-2boost。

状态H：开关S3、S5、S6导通。电容2、3、4串联，母线电压等于3boost。开关S11与S12导通，输出电压为-3boost。

3 电路设计与仿真

为验证本系统的可行性，本文使用PSIM搭建主电路仿真模型，并根据以上工作状态分设计合理的逻辑分析时序。图5所示为主开关管的PWM生成逻辑图。

图5 开关管PWM信号产生逻辑图

高频载波信号为三角波，其频率直接控制开关管的斩波频率。高频斩波信号是与载波信号相同的方波，占空比为50%。通过以上逻辑电路各开关管PWM信号仿真波形如图6所示。

图1所示主拓扑结构。其电路仿真参数见表2。

通过表2所示设计电路参数其仿真结果如图7所示。H桥输出电压由7个状态交替完成，负载电压经过LC滤波电路输出平滑。当输出电压为在最高点时，输出电压峰值为3倍Boost。此时母线电容由2、3和4串联形成，母线电容降低为原来的1/3。因此电容电压会以3倍速度迅速下降，从而H桥输出电压波形会形成凹陷。如图7所示在输出电压达到峰值时H桥输出电压出现凹陷。为使输出较好的电压波形可适当增大电容值，减小电压凹陷的幅值。以表2所示的仿真参数通过PSIM仿真并对输出电压做分析可知：≈1.5%（如图7所示）。

图6 开关管门级PWM信号

表2 电路仿真参数

图7 主拓扑结构仿真波形

用于倍压的电容2、3与4端电压震荡较小。为使减小电容端电压震荡可适当增加开关频率，与此同时，增大开关频率以减小电容与电感值，可减小其尺寸进而增大系统的功率密度。

文献[14]中提出类似的方法实现多电平逆变器，其电容选择可根据式（2）得出。

式中，为母线电容值；为电荷量，可用式（3）得出、dc为母线电压。

表3 开关管电压应力

表3所示为各开关管的电压应力。相比于传统的多电平逆变器该拓扑结构减小了部分开关管的电压应力，因此可有效减小其开关损耗，减小系统损耗增大了系统的稳定性。

4 结论

本文设计了一种针对直流输入电压较低时一种多电平并网逆变器。由于输入直流电压较低，因此采用了Boost与倍压电路相结合以提升母线电压至有效值。同时为使减小系统，采用七电平交替实现逆变功能。由于输入电压小，因此开关管承受的电压应力小，不仅减小了开关管的开关损耗，同时还增加了系统的稳定性。最终通过PSIM搭建仿真模型通过仿真验证了系统的可行性。最后本拓扑结构不仅能适用于传统的多电平逆变器，更适合于低电压输入的逆变器，如光伏、超级电容等输出电压低的大储能系统。

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The design and simulation of 7-level single phase inverter based on doublers circuit

Fu Yongsheng1Huang Haibo1Hu Wenting2Lei Ming2

(1. Xi’an Technological University, Xi’an 710021; 2. Hubei University of Automotive Technology, Shiyan, Hubei 442002)

The paper focus on the problem of higher THD of inverter, a novel seven level single-phase inverter topology was proposed. A seven-level inverter was realized based on adjusting the DC bus voltage which is controlled by switch the Mosfets. Compared with the traditional seven-level inverter, the topology used fewer switched and reduces the voltage stress of some of switches to xx switching loss and improve the stability of the system effectively, meanwhile the wide range of voltage gain of the system can higher up to 3～30 times of input DC voltage, it's especially use for inverter with lower DC input. Finally, the paper validates the feasibility of the system by simulation mode of PSIM.

doublers circuit; multilevel; inverter; voltage gain

2018-03-31

付永升（1987-），男，陕西西安人，硕士，助教，主要从事控制与检测、宽带隙半导体的应用、DC/DC、AC/DC变换器及DC/AC逆变器等电源系统设计工作。