付永升 黃海波 胡文婷 雷 鳴

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一種基于倍壓電路的七電平單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真

付永升1黃海波1胡文婷2雷 鳴2

（1. 西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安 710021；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002）

本文針對(duì)單電平逆變器輸出電壓總諧波失真大的問題，提出一種新穎的七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過控制Mosfet的開關(guān)完成調(diào)節(jié)母線電壓的功能，實(shí)現(xiàn)了七電平單相逆變器。相比于傳統(tǒng)的七電平逆變器本拓?fù)涫褂幂^少的開關(guān)管，并減小部分開關(guān)器件的電壓應(yīng)力有效降低了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)本系統(tǒng)電壓增益可達(dá)到3～30倍寬范圍穩(wěn)定增益，尤其適用于低輸入電壓下的逆變器。最終本文通過PSIM搭建仿真電路驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

倍壓電路；多電平；逆變器；電壓增益

隨著環(huán)境污染嚴(yán)重、能源危機(jī)等問題的出現(xiàn)，發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)越來越多吸引了眾多的研究學(xué)者。傳統(tǒng)的逆變器采用兩電平逆變，利用單一直流源通過對(duì)橋式鏈接開關(guān)管的PWM控制，其輸出的正弦交流電含有較大的諧波分量。因此提出多電平逆變器（multilevel inverters, MLIs）的應(yīng)用。

多電平逆變器可有效改善電能質(zhì)量，降低諧波含量，目前多電平逆變器在電力電子應(yīng)用中得到了全面的研究[1-3]。并且在開關(guān)器件使用中低壓開關(guān)與高壓開關(guān)相比較，低壓開關(guān)器件可更好地處理高開關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響[4]。而低電壓開關(guān)器件更適合于多電平逆變器，其可有效減小開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）。以增大系統(tǒng)效率并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其在高功率逆變系統(tǒng)中多電平逆變器具有更好的性能并應(yīng)用廣泛[5-6]。傳統(tǒng)的多電平逆變器有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：①二極管鉗位式逆變器（diode clamped multilevel inverters, DCMLIs）[7-8]； ②飛跨電容式逆變器（flying capacitor multilevel inverter, FCMLI）[9]；③級(jí)聯(lián)H橋逆變器（cascaded H-bridge multilevel inverters, CHBMLI）[10]。級(jí)聯(lián)H橋相比于二極管鉗位式逆變器則需要較少的開關(guān)開可獲得相同的電壓等級(jí)。然而實(shí)現(xiàn)多電平逆變需要多個(gè)外圍電路，并且控制邏輯隨著電平數(shù)的增多也會(huì)變的更為復(fù)雜。飛跨電容式逆變器與二極管鉗位式逆變器相似，都需要額外的開關(guān)管及其開關(guān)狀 態(tài)[11]。然而以上多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要較高電壓等級(jí)的直流母線電容及較多的器件，減小了系統(tǒng)的能量密度。因此，減少電容體積、開關(guān)管及外圍電路的數(shù)量是多電平逆變器的一個(gè)新的研究熱 點(diǎn)[12-13]。

基于以上方面本文提出一種采用倍壓電路的七電平逆變器。前級(jí)使用Boost升壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓，其次采用三級(jí)倍壓電路，可使直流母線電為輸入電壓3/()倍（為Boost升壓電路占空比）。相比其他逆變電路其控制簡(jiǎn)單，開關(guān)管的電壓應(yīng)力小、母線電容電壓應(yīng)力小有效的增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其能量密度。

1 七電平逆變器工作原理介紹

圖1所示為本文提出的七電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其包括主電路和輔助電路。電感1、二極管D1及開關(guān)管S1構(gòu)成Boost升壓主電路，S10—S13構(gòu)成全橋單相逆變主電路。輔助電路由8個(gè)開關(guān)管（S2—S8）與3個(gè)電容（2—3）組成。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出電壓決定于系統(tǒng)的調(diào)制比a。輸出電壓ab有7種運(yùn)行狀態(tài)：3boost t、2boost、boost、0、-3boost t、-2boost、-boost。電壓boost為前端Boost電路的輸出。其中，boost=in×1/(1-)，為Boost升壓電路占空比。因此全橋逆變輸出電壓最大時(shí)為輸入直流電壓的3×(1-)倍，1＞＞0。

圖1 本文提出的七電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示逆變器輸出電壓可直接由Boost電路中開關(guān)管S1的占空比決定。在此假設(shè)逆變器SPWM調(diào)制比為a，則逆變器輸出電壓out-max可由式（1）得出，即

因此在Ma為常數(shù)時(shí)逆變器輸出電壓的最大值可直接通過調(diào)節(jié)Boost電路占空比完成。系統(tǒng)控制方法如圖2所示。

開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓之間的關(guān)系見表1。其中Boost升壓電路可獨(dú)立工作。

表1 開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓關(guān)系表

如表1所示，本系統(tǒng)七電平逆變器由7種狀態(tài)交替變換完成。H橋輸出波形如圖3所示。

圖3 H橋輸出波形

當(dāng)在正半周開關(guān)管工作狀態(tài)為ABBA時(shí)H橋輸出電壓等級(jí)為+1，工作狀態(tài)為BCCB時(shí)H橋輸出電壓等級(jí)為+2，工作狀態(tài)為CDCD時(shí)，H橋輸出電壓等級(jí)為+3。當(dāng)在負(fù)半周輸出電壓等級(jí)為-1、-2、-3時(shí)，開關(guān)管的工作狀態(tài)分別為EFFE、FGGF和GHGH。其輸出經(jīng)過LC濾波電路可得完整的正弦交流電。

2 工作狀態(tài)分析

本文設(shè)計(jì)的七電平逆變器其不同電平狀態(tài)主要由開關(guān)管S2—S9及電容2、3與4完成。通過變換開關(guān)管的開通狀態(tài)改變電容的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)改變母線電壓的功能。圖4分別展示了7種狀態(tài)時(shí)電路的工作原理。狀態(tài)A和E表示輸出為0時(shí)的狀態(tài)、狀態(tài)B和F表示輸出為±1時(shí)的狀態(tài)、狀態(tài)C和H表示輸出為±2時(shí)的狀態(tài)、狀態(tài)D和G表示輸出為±3時(shí)的狀態(tài)。7個(gè)輸出狀態(tài)形成一個(gè)工頻交流周期。

狀態(tài)A：開關(guān)管S1導(dǎo)通，輸入電壓in向電感1儲(chǔ)存能量。開關(guān)S10與S12導(dǎo)通，輸出電壓ab為0。電容2、3、4能量保持不變。

狀態(tài)B：開關(guān)S1關(guān)斷，輸入電壓in與電感1同時(shí)向H橋提供能量。開關(guān)S2、S4、S5、S7、S8、S9導(dǎo)通。電容2、3、4并聯(lián)其兩端電壓均被充滿至boost，此時(shí)母線電壓等于boost。開關(guān)S10與S13導(dǎo)通，輸出電壓為boost。

狀態(tài)C：開關(guān)S3、S5、S7、S8、S10導(dǎo)通。電容2、3串聯(lián)同時(shí)4斷開，母線電壓等于2boost。開關(guān)S10與S13導(dǎo)通，輸出電壓為2boost。

狀態(tài)D：開關(guān)S3、S5、S6導(dǎo)通。電容2、3、4串聯(lián)，母線電壓等于3boost。開關(guān)S10與S13導(dǎo)通，輸出電壓為3boost。

狀態(tài)E：開關(guān)管S1導(dǎo)通，輸入電壓in向電感1儲(chǔ)存能量。開關(guān)S11與S13導(dǎo)通，輸出電壓ab為0。電容2、3、4能量保持不變。

狀態(tài)F：開關(guān)S1關(guān)斷，輸入電壓in與電感1同時(shí)向H橋提供能量。開關(guān)S2、S4、S5、S7、S8、S9導(dǎo)通。電容2、3、4并聯(lián)其兩端電壓均被充滿至boost，此時(shí)母線電壓等于boost。開關(guān)S11與S12導(dǎo)通，輸出電壓為-boost。

狀態(tài)G：開關(guān)S3、S5、S7、S8、S10導(dǎo)通。電容2、3串聯(lián)同時(shí)4斷開，母線電壓等于2boost。開關(guān)S11與S12導(dǎo)通，輸出電壓為-2boost。

狀態(tài)H：開關(guān)S3、S5、S6導(dǎo)通。電容2、3、4串聯(lián)，母線電壓等于3boost。開關(guān)S11與S12導(dǎo)通，輸出電壓為-3boost。

3 電路設(shè)計(jì)與仿真

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，本文使用PSIM搭建主電路仿真模型，并根據(jù)以上工作狀態(tài)分設(shè)計(jì)合理的邏輯分析時(shí)序。圖5所示為主開關(guān)管的PWM生成邏輯圖。

圖5 開關(guān)管PWM信號(hào)產(chǎn)生邏輯圖

高頻載波信號(hào)為三角波，其頻率直接控制開關(guān)管的斬波頻率。高頻斬波信號(hào)是與載波信號(hào)相同的方波，占空比為50%。通過以上邏輯電路各開關(guān)管PWM信號(hào)仿真波形如圖6所示。

圖1所示主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其電路仿真參數(shù)見表2。

通過表2所示設(shè)計(jì)電路參數(shù)其仿真結(jié)果如圖7所示。H橋輸出電壓由7個(gè)狀態(tài)交替完成，負(fù)載電壓經(jīng)過LC濾波電路輸出平滑。當(dāng)輸出電壓為在最高點(diǎn)時(shí)，輸出電壓峰值為3倍Boost。此時(shí)母線電容由2、3和4串聯(lián)形成，母線電容降低為原來的1/3。因此電容電壓會(huì)以3倍速度迅速下降，從而H橋輸出電壓波形會(huì)形成凹陷。如圖7所示在輸出電壓達(dá)到峰值時(shí)H橋輸出電壓出現(xiàn)凹陷。為使輸出較好的電壓波形可適當(dāng)增大電容值，減小電壓凹陷的幅值。以表2所示的仿真參數(shù)通過PSIM仿真并對(duì)輸出電壓做分析可知：≈1.5%（如圖7所示）。

圖6 開關(guān)管門級(jí)PWM信號(hào)

表2 電路仿真參數(shù)

圖7 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真波形

用于倍壓的電容2、3與4端電壓震蕩較小。為使減小電容端電壓震蕩可適當(dāng)增加開關(guān)頻率，與此同時(shí)，增大開關(guān)頻率以減小電容與電感值，可減小其尺寸進(jìn)而增大系統(tǒng)的功率密度。

文獻(xiàn)[14]中提出類似的方法實(shí)現(xiàn)多電平逆變器，其電容選擇可根據(jù)式（2）得出。

式中，為母線電容值；為電荷量，可用式（3）得出、dc為母線電壓。

表3 開關(guān)管電壓應(yīng)力

表3所示為各開關(guān)管的電壓應(yīng)力。相比于傳統(tǒng)的多電平逆變器該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減小了部分開關(guān)管的電壓應(yīng)力，因此可有效減小其開關(guān)損耗，減小系統(tǒng)損耗增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)直流輸入電壓較低時(shí)一種多電平并網(wǎng)逆變器。由于輸入直流電壓較低，因此采用了Boost與倍壓電路相結(jié)合以提升母線電壓至有效值。同時(shí)為使減小系統(tǒng)，采用七電平交替實(shí)現(xiàn)逆變功能。由于輸入電壓小，因此開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力小，不僅減小了開關(guān)管的開關(guān)損耗，同時(shí)還增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最終通過PSIM搭建仿真模型通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。最后本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅能適用于傳統(tǒng)的多電平逆變器，更適合于低電壓輸入的逆變器，如光伏、超級(jí)電容等輸出電壓低的大儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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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，陜西西安人，碩士，助教，主要從事控制與檢測(cè)、寬帶隙半導(dǎo)體的應(yīng)用、DC/DC、AC/DC變換器及DC/AC逆變器等電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。