多单元串联大功率逆变电源的控制方法

关键字：多单元

 串联 逆变电源 

　　

1 引 言

　　自九十年代初以来，多电平逆变器在高电压、大功率领域得到越来越广泛的应用。多电
平变换器有三种基本的拓扑结构：二极管嵌位型、飞跨电容型、多单元串联型。相比较而言，
多单元串联型有如下几个主要的优点：
　　

1) 逆变器结构基于传统的两电平逆变器单元，因此主电路拓扑结构非常简单。

　　

2) 功率单元采用模块化结构，因此所有功率单元可以互换，维修非常方便，电路中也

不存在大量的嵌位二极管或电压平衡电容器。
　　

3) 每一个逆变桥是由相互独立的直流电压源供电，不存在中性点电压不平衡问题。

　　本文针对大功率逆变电源，采用多单元串联技术，把单个功率单元的二重化控制技术
与水平移相式

PWM 技术相结合，既降低了对开关器件电压等级的要求，满足了系统对输

出电压及输出功率的要求，又获得了比单纯多单元串联技术更高的等效开关频率，大大降
低了开关损耗，更进一步的改善了输出波形，降低输出电压的谐波畸变率，而且，功率单
元由电网电压经过副边多重化的移相变压器供电，对电网谐波污染小，输入功率因数高，
不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。
　　

2 多单元串联大功率逆变电源控制原理

　　多单元串联三相大功率逆变电源原理框图如图

1 所示，按照对输出功率的要求，每相

采用三单元串联，三相共有九组完全相同的功率单元。每相三个功率单元的载波之间互差
120°，输出相电压为 7 电平，线电压为 12 电平。每个功率单元承受全部的输出电流，但只
提供

1/3 的相电压和 1/9 的输出功率。与采用高电压器件直接串联的大容量逆变器相比，由

于采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为功率单元的直流母线电压，可直接使用
低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压
IGBT 功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。改变每相功率单元的串联个数或功率单元
的输出电压等级，就可实现不同电压等级的高压输出。

图

1 多单元串联大功率逆变电源原理框图

　　在图

1 中，功率单元为三相输入，单相输出的交直交 PWM 电压源型逆变器结构，图 2

给出了功率单元的逆变部分电路。
　　
图

2 功率单元逆变部分电路图

　　
图

3 二重化 PWM 控制波形

　　移相变压器副边输出的三相交流电经功率单元的三相二极管整流桥整流后，经滤波电
容后形成平直的直流电，再经由

4 个 IGBT 构成的 H 型单相逆变桥，输出 PWM 波。为了提

高开关频率，但同时又要考虑降低开关损耗，对功率单元实行二重化

PWM 控制。图 3 为二