新型低电压应力的电容自均衡七电平逆变器

刘俊峰 祝祥开 曾君

摘 要：针对传统多电平逆变器存在的功率器件电压应力高以及电容电压平衡困难的问题，提出一种七电平逆变器拓扑。采用同相层叠脉宽调制策略，研究了开关电容技术与传统多电平逆变器结构的结合，实现七电平电压输出。所提七电平逆变器后端不使用全桥结构得到负电平，开关器件的电压应力小;电容电压能实现自均衡，无需使用传感器检测电容电压，避免了复杂的控制策略和额外的控制回路;可以工作在不同调制因数下;可通过级联来实现更多的输出电平。讨论了逆变器的工作原理、调制策略以及器件电压应力，设计了仿真与实验样机对理论分析结果进行了验证。

关键词：多电平逆变器;开关电容;电压自均衡;低电压应力;脉宽调制

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.012

中图分类号：TM 464文献标志码：A文章编号：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，多电平逆变器发展成为重要的电力电子装置，广泛应用于光伏、风能等新能源系统中[1-3]。相比于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有以下优势：更多的电平输出;更低的功率器件应力;更低的电磁干扰;更高的效率;更小的总谐波失真（total harmonic distortion， THD）等[3]。

传统的多电平逆变器可以分为三类：二极管箝位（neutral pointclamped inverter，NPC）[4-5]，飞跨电容（flying capacitor inverter， FC）和级联H桥（cascaded hbridge，CHB）[6]。当输出较多电平时，NPC需要大量的箝位二极管以及开关管，并且存在电容的平衡问题[7]。FC输出N电平时，需要NSymbolm@@1个单元，需要大量电容，这使得系统成本的提升。在低频应用中，电容需要更大的容量，此时NPC比FC更具有优势[8]。相比于NPC和FC，CHB不需要箝位二极管，器件的应力小，但需要多个独立的输入电源[9]。文献[10]提出一个通用的多电平逆变器拓扑，该拓扑具有电压自平衡能力，每个电容电压可以自均衡，不需要额外的辅助回路。NPC以及FC均可以从通用拓扑中推导出来，但是通用拓扑需要大量的功率器件。

为了进一步减少THD，输出更多电平，减少开关应力，文献[8]、文献[11-13]在传统逆变器基础上，提出了一系列混合逆变器。文献[11]提出有源中点箝位（active neutralpointclamped， ANPC）混合逆变器，结构上结合NPC和FC，具有NPC的鲁棒性以及FC的灵活性。文献[12]提出一个五电平逆变器，结合飞跨电容以及H桥结构，利用冗余的状态控制电容电压平衡，功率器件的应力减少。文献[8]、文献[13]提出的逆变器对文献[12]的结构进行扩展，输出更多的电平，并且具备容错能力。以上提到的混合逆变器需要使用传感器检测电容电压，依靠冗余的状态实现电容电压的平衡。文献[14-15]提出了无传感器的混合逆变器，不使用传感器，依靠冗余的状态实现电容电压的自平衡，但是这些混合逆变器不具备升压的能力，输出电压幅值不高于输入电压。