级联多电平逆变器特性研究

关键字：级联多电平

 逆变器 

　　

1 引言

　　由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平变频器通常采用

“高-低-高”方式

经变压器降压和升压来获得高压大功率，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重
化来实现，这使得系统效率和可靠性下降。因而，人们希望实现直接的高压逆变技术。基于
电力电子器件直接串联的高压变频器对动静态的均压电路要求较高，并且输出电压高次谐
波含量高，需设置输出滤波器。级联多电平逆变电路的提出为解决上述问题取得了突破性的
进展。
　　级联多电平逆变器是由若干个基本逆变单元（例如

h 桥逆变器）通过串联连接而形成

的单相或三相逆变器。每一个逆变单元可以输出方波或阶梯波，通过输出波形的叠加合成，
形成更多电平台阶的阶梯波，以逼近逆变器的正弦输出电压。这种电路的特点：随着逆变器
级联数目的增加，输出电压的电平数增加，从而使得输出电压或电流波形的谐波含量减小

;

由于多个逆变单元串联完成整个逆变任务，虽然整体输出开关频率变高，但各个逆变单元
功率器件的开关频率并不高，因此与非级联电路相比功率器件承受的电压应力减小，在高
压应用中无需均压电路，同时可避免大的

dv/dt 所导致的电机负载绝缘等问题;当各串联或

并联连接的级联单元中有一个单元故障时，可通过把此单元短接而退出工作，其它单元仍
然能够正常工作，保证系统正常运行。使模块化逆变器产品的封装，生产和制造成为可能，
扩展容易。近年来，由于级联多电平逆变器的上述优点，在中高压调速领域、不停电电源、交
流柔性输电系统（

facts）等应用中引起了电力电子行业的极大关注，成为中高压能量变换

的首选方案。因此级联多电平逆变器的拓扑结构及其控制策略的研究将极有意义。本文在阅
读国内外文献的基础上，对级联多电平逆变器的主电路拓扑结构及其控制方法进行汇总，
以期对级联多电平逆变器的研究提供参考。
　　

2 级联多电平逆变电路的拓扑结构

　　多电平逆变器实现的结构一般主要有：二极管箝位型（

diode-clampedinverter）、飞跨电

容箝位型（

flying-capacitorinverter）、具有独立直流电源的级联型（cascaded-inverters with 

separate dcsources）、具有多绕组变压器输出的多重化型等等。
　　

2.1 基本的多电平逆变电路

　　（

1） 全桥逆变电路

　　全桥逆变器的主电路图见图

1。由于控制方式的不同，它可以有很多种工作方式，常用

的工作方式为：

　　两电平：

s1（d1）和 s4（d4）导通，而 s2 和 s3 关断，uab=vdc;反之，s2（d2）和

s3（d3）导通，而 s1 和 s4 关断，uab=-vdc;三电平：s1（d1）和 s4（d4）导通，uab=vdc;s2
和

s3 导通，uab=-vdc;s1（d1）和 s2（d2）导通或 s3（d3）和 s4（d4）导通，uab=0。

　　对图

1 进行改进就可以得到 5 电平单相桥式逆变电路［17］，如图 2 所示。和图 1 相比，

多了一个电容，使负载输出的电平数为

5:vdc，-vdc，0，+vdc/2，-vdc/2。s5 截止时其工作