楊 鑫 韓如成 智澤英

（太原科技大學，太原 30024）

多電平變換技術(shù)的思想最早是在 1980年IAS年會上，由日本長崗科技大學的 A. Nabae 等人提出的[1]。主要包括二極管鉗位式、飛跨電容箝位式以及級聯(lián)型逆變器3種。由于其可以在一定程度上緩解功率開關(guān)器件耐壓不足與高壓大功率驅(qū)動器之間的矛盾，并且可以減小 dv/dt和di/dt，降低輸出電壓的諧波含量，成為了人們在大功率驅(qū)動領(lǐng)域的研究熱點。但是目前大多數(shù)的逆變器都工作在硬開關(guān)狀態(tài)，而為了達到較好的輸出效果，開關(guān)器件都工作在比較高的開關(guān)頻率下，如此會產(chǎn)生較高的開關(guān)損耗，并對周圍的設(shè)備產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，針對這一問題很多學者致力于研究多點平逆變器的軟開關(guān)技術(shù)。目前大多數(shù)研究都集中在輸出效果較好的箝位式多電平逆變器的軟開關(guān)研究。但是由于箝位式多電平逆變器本身結(jié)構(gòu)比較復雜，在添加輔助軟開關(guān)電路之后，其電路結(jié)構(gòu)、控制方式變得更加復雜，使得電路的可靠性大大降低，目前僅局限于理論研究，無法進一步實現(xiàn)應用[2]。本文在對各種多電平逆變器及各種軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，權(quán)衡利弊，提出了一種較為實用的混合級聯(lián)式多電平逆變器，并加入了軟開關(guān)電路，實現(xiàn)了部分級聯(lián)單元開關(guān)器件的軟開關(guān)動作。此種電路拓撲結(jié)構(gòu)降低了電路結(jié)構(gòu)、控制方式的復雜度，通過Simulink/Matlab仿真軟件驗證了電路仍然可以達到較好的輸出效果。

1 主電路及工作原理

基于軟開關(guān)技術(shù)的新型混合級聯(lián)式多電平逆變器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)將電路分成主、副兩部分以簡化闡述。

圖1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

主級電路采用的是帶有諧振極型軟開關(guān)輔助電路的三相橋式逆變單元[3]。軟開關(guān)輔助電路為 2個反向串聯(lián)的IGBT開關(guān)器件分別串聯(lián)1個電感后并聯(lián)1個電容結(jié)構(gòu)，由于文獻[2]對此軟開關(guān)電路工作過程做了較為詳細的分析，現(xiàn)只對其工作過程進行簡單闡述：此軟開是通過對SF1的通斷來控制LF1,LF2,CF1,CF2的諧振以實現(xiàn)Sa1的軟開關(guān)，對與SF1反串聯(lián)的SF2的通斷控制來實現(xiàn)Sa2的軟開關(guān)。副級電路是傳統(tǒng)的 2級 H橋相串聯(lián)的逆變拓撲結(jié)構(gòu)。主、副級逆變單元的直流側(cè)電壓均為E，主級逆變單元輸出電壓為±E，各H橋逆變單元輸出電壓為-E，0，+E，理論上整個逆變電路輸出電平分別為-2E，-E，E，2E。但是主級逆變單元的工作頻率高于副級逆變單元，使得逆變電路的最終輸出電平數(shù)高于理論輸出電平數(shù)。

本文所提出的新型逆變拓撲電路保留了文獻[2]所提出的三相橋式軟開關(guān)電路的優(yōu)點又繼承了傳統(tǒng)的橋式級聯(lián)型多電平逆變拓撲的優(yōu)點：①軟開關(guān)輔助電路可以分開控制，三相逆變電路也是可以獨立控制的，減少了相間的干擾；②不存在軟開關(guān)操作與逆變器開關(guān)管信號同步問題，可以很方便的采用常規(guī)的 PWM調(diào)制方式；③在實現(xiàn)主開關(guān)零電壓零點流開關(guān)的同時輔助開關(guān)也可以實現(xiàn)零點流開通和零電壓零電流關(guān)斷；④實現(xiàn)了逆變橋的續(xù)流二極管的軟性關(guān)斷，解決了其反向恢復問題；⑤輔助開關(guān)器件所承受的電壓被控制在了直流母線電壓值以下；⑥仍然可以實現(xiàn)電路的模塊化，當某一單元發(fā)生故障的時候可以將其旁路而不影響電路的整體功能。除此以外，該電路H橋逆變單元工作頻率較三相橋式逆變單元低一個數(shù)量級，并且軟開關(guān)電路可以有效地降低高頻逆變單元的開關(guān)損耗，從而使得整體的逆變器工作效率有所提高。

2 逆變器控制策略

目前逆變器主電路最常用的的調(diào)制策略就是PWM調(diào)制方式，而PWM技術(shù)中應用最為普遍的是正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。正弦脈寬調(diào)制在多電平逆變器中應用比較廣泛[4]，而其又分為垂直分布載波調(diào)制和移相載波調(diào)制。結(jié)合所構(gòu)建的新型高壓大功率逆變電路的結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)過本人多次仿真比較，采用了一種具有針對性的改進型移相載波調(diào)制策略，即主級逆變單元采用較高頻率的普通 PWM調(diào)制方式，副級逆變單元采用較低工作頻率的垂直分布載波調(diào)制方式，圖2為其示意圖，其中弧形為1/2周期的正弦波，較密的為10kHz三角載波，另外4個對稱分布與零軸上下兩側(cè)的為1kHz的三角載波。

圖2 調(diào)制策略示意圖

在各逆變單元直流側(cè)電壓等級相同的情況下，主級逆變單元工作于較高的開關(guān)頻率，作為主要功率輸出單元。副級逆變單元工作于較低開關(guān)頻率，起到改善三相橋式逆變單元所輸出電壓波形質(zhì)量的作用。在保證逆變器整體開關(guān)損耗較低的前提下，實現(xiàn)了較低的輸出電壓諧波含有率，增加了開關(guān)冗余，提高了輸出電壓。

目前的軟開關(guān)控制方式主要分為定時間控制和變時間控制兩種[5]。變時間控制指的是輔助開關(guān)開通固定時長以形成主開關(guān)管得軟開關(guān)條件；變時間控制需要大量的電壓、電流檢測電路，當檢測到主開關(guān)管所需軟開關(guān)條件時及產(chǎn)生動作信號，來達到軟開關(guān)的目的。本文采取電路結(jié)構(gòu)較為簡單的定時間控制方式，即當主開關(guān)Sa1的開關(guān)信號到來之時，先導通SF1，經(jīng)過固定時長，當達到Sa1軟開關(guān)所需條件時再給Sa1以觸發(fā)信號以使其導通或者關(guān)斷。

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗證所提新型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的正確性，采用擁有強大仿真功能的Matlab/Simulink仿真軟件對其進行仿真研究。仿真框圖如圖3所示，仿真參數(shù)如下：各逆變單元直流電壓 E=500V，阻感負載R=4.4?，L=0.1H，假定流過諧振電感LF1的電流上升率為80A/μs，則根據(jù)參考文獻[1]所給出的公式可以計算出諧振電路的電感、電容值分別為LF1=LF2=3.4μH ，CF1=CF2=14.39μF。由于電路具有對稱性，此處只對A相進行分析。

圖3 系統(tǒng)仿真框圖

圖4（a）、（b）分別為新型軟開關(guān)逆變電路和傳統(tǒng)3級H橋級聯(lián)型逆變電路輸出電壓波形圖。圖5（a）、（b）分別為其對應頻譜分析圖。

圖4 新型軟開關(guān)逆變器及3級H橋級聯(lián)逆變器輸出電壓波形

圖5 新型軟開關(guān)逆變器及3級H橋級聯(lián)逆變器輸出電壓頻譜分析

從圖4圖5中可以看出，采用了具有針對性的調(diào)制策略以后逆變輸出電平數(shù)有所增加，而并非是理論計算的四電平輸出，使得其輸出電壓的波形更加接近正弦波。

通過傅里葉變換對分析可以得出2種不同拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器輸出電壓總諧波畸變率分別為19.35%和19.22%，在帶有相同阻感負載的情況下，負載電流總諧波畸變率分別為 0.68%和 0.76%。由圖 5（a）和（b）可以對比出新型帶有輔助諧振電路的級聯(lián)型逆變器比傳統(tǒng)的 3H橋級聯(lián)逆變器的輸出電壓具有更多的開關(guān)冗余，有圖6的頻譜分析圖可以看出，所提出的新型軟開關(guān)級聯(lián)型逆變電路的輸出電壓中僅有特定次諧波含有量較高，而其它次的諧波含有率非常低。

4 結(jié)論

本文提出了一種帶有輔助諧振電路的三相橋式逆變單元與2級H橋逆變單元相級聯(lián)的大功率逆變拓撲結(jié)構(gòu)。較與其級聯(lián)數(shù)相同的3級H橋級聯(lián)式逆變器相比，其輸出電壓的諧波含有率只是稍有增加。在比傳統(tǒng)的3級H橋級聯(lián)式逆變器少了6個開關(guān)器件的開關(guān)損耗的前提下，僅增加8個電容、6個電感，且輔助諧振電路僅僅在主開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時才啟動工作，又降低了三相橋式逆變單元其它開關(guān)器件的開關(guān)損耗，使得逆變器的整體效率大大提高，降低了開關(guān)損耗，減少了逆變器主電路對周圍設(shè)備的電磁干擾。通過Matlab/Simulink仿真軟件的仿真研究證明了所提出的新型的拓撲結(jié)構(gòu)的正確性。本電路結(jié)構(gòu)較為簡單，由于并沒增加過多的附加開關(guān)，也沒有N電平二極管鉗位電路中的大量的箝位二極管、電容等器件，在控制上也比較容易實現(xiàn)，因而是一種平衡開關(guān)損耗、輸出效果和結(jié)構(gòu)、控制復雜度的較為理想的拓撲結(jié)構(gòu)，值得更進一步的深入研究。

[1]NABAE A, AKAHASHI I, AKAGI H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[C]. IEEE Trans.on Industry Amplications. 1981,17(3):518-523.

[2]王鴻雁,何湘寧.多電平逆變器有源軟開關(guān)技術(shù)的研究[J].電源應用技術(shù),2002,5(7): 304-308.

[3]王強,張化光,褚恩輝,劉秀翀,侯利民.新型零電壓零點流諧振機型軟開關(guān)逆變器[J].中國電機工程學報,2009,29(27):15-21.

[4]劉鳳君. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[5]賀虎城,劉衛(wèi)國,李榕,馬瑞卿. 電機驅(qū)動用新型諧振直流環(huán)節(jié)電壓源逆變器[J]. 中國電機工程學報,2008,28(12):60-65.