多电平逆变器的多载波

PWM 技术的研

究

关键字：多电平逆变器

 多参考波调制方法 Matlab 仿真 

    逆变器作为当今高电压、大功率电能变换领域的研究热点之一，被广泛应用到调速驱动器
（

ASD）、有源滤波器(APF)、动态电压恢复期（DVR）和不间断电源（UPS）等现代电力电

子技术中，

[1]。在现代逆变器的研究中，两电平变换器的技术已经比较成熟，而多电平逆

变技术将会是研究的重点，其主要优点包括：输出电压电平数的增多使输出电压更接近于
正弦波；开关器件承受的电压应力减小，无需使用均压电路；开关器件工作于基频，开关
损耗小；高频化产生的

du/dt 小，电磁干扰减少等。

    多电平逆变器研制的关键是改变 PWM 调制方法以期望得到有更好频谱的输出波形，同
时改善输出电压和电流的

THD 值。本文以 2H 桥级联电路输出五电平电压为基础，分析比

较了同相层叠法、交替反相层叠法和正负反相层叠法三种多载波

PWM 调制方法下的输出波

形，并将其与新型的多载波、多参考波调制方法进行比较，并分析得出其相对于传统方法的
优点：新型的多载波控制方法能够在小幅减小总谐波失真率的情况下改善输出电压频谱。
1 多电平逆变器
    一般说来，多电平逆变器的中心思想是将母线电压分割成不同的电平，然后采用相应的
调制策略，使得逆变器的输出电压呈现出阶梯形而接近于正弦波形。从输出波形的频谱上来
讲能有效降低高次谐波的含量；开关器件所承受的电压也有所降低，并且有效减少了开关
器件的开关次数，降低了开关损耗。
    本文基于 2H 桥级联式五电平输出的电路结构进行分析。图 1 所示为 2H 桥级联式五电平
逆变器主电路，由两个

H 桥级联叠加而成。采用这种级联叠加的方式可以获得五电平输出，

并消除相应的

NM+1（N 为 H 桥的个数，M 为载波比）次以下的谐波[2]。两个功率单元进

行叠加时，每个

2H 桥采用相同的独立直流电源电压。

    为保证输出电压满足要求，要求两个 H 桥功率单元能分别工作在正向导通、反向导通、正
向旁路、反向旁路

4 种工作状态。特别注意的是不能忽略正向旁路和反向旁路两种工作状态，

否则逆变器无法正常工作。
    在参考文献[3]中分析了基于 2H 桥级联电路的常用的载波移相（PS）PWM 和载波垂直分
布（

CD）PWM 方法，并对逆变主回路输出五电平电压进行频谱分析。这两种方法的低次谐

波含量比较小，但是高次谐波总含量较大，因此谐波畸变率均较高，在

36%附近。

2 典型多载波调制方法
    多载波 PWM 技术[4-6]采用了自然采样法，将一个参考波（通常为正弦波）与载波（通
常为三角波或者锯齿波）进行比较，进而产生开关器件的驱动信号。
    多电平逆变器的调制策略会直接影响逆变器的输出电压谐波、开关损耗以及输出侧滤波器