非对称

H 桥五电平逆变器及其通用调制策略

关键字：非对称

H 桥 逆变器 调制 

　　

1 引言

　　混合多电平逆变器的功率开关承受的电压应力不同，因此同一拓扑中可以采用不同的
功率器件，充分利用了功率开关各自的优点。非对称

h 桥是混合多电平逆变器中最基本、最

典型的一类拓扑，其半桥的功率开关可以分别工作在基频和高频

pwm 方式，与传统多电平

逆变器相比，在输出相同电平数的情况下，减少了功率器件，降低了开关损耗［

1，2］。本

文首先对非对称

h 桥五电平逆变器进行了分析，利用其结构特点，提出一种通用的调制策

略。最后以电容箝位型非对称

h 桥拓扑为实验平台，对所提调制策略进行了实验验证。

　　

2 非对称 h 桥五电平逆变器

　　非对称

h 桥拓扑是混合多电平拓扑中最基本、最典型的一类拓扑，其半桥的功率开关可

以分别工作在基频和高频

pwm 方式，与传统多电平逆变器相比，在输出相同电平数的情况

下，减少了功率器件，降低了开关损耗。目前最具有实用价值的三种五电平非对称

h 桥有：

双向开关非对称

h 桥、二极管箝位型非对称 h 桥和电容箝位型非对称 h 桥，分别如图

1（a）、（b）、（c）所示。图 1（a）的双向开关型五电平逆变器通过双向开关（s5 和
d1~d4）和 h 桥（s1~s4），将两个直流电源 e 的电压组合输出五电平交流电压；图 1（b）
为二极管箝位型五电平逆变器，其左半桥为二极管箝位型三电平半桥，右半桥为两电平半
桥，而图

1（c）为电容箝位型五电平逆变器，其左半桥为电容箝位型三电平半桥。

　　传统的多电平逆变器有三类：二极管箝位型、飞跨电容型、

h 桥级联型，附表为五电平

逆变器单相所需功率器件对比表，与传统的三类五电平逆变器相比，前三类拓扑采用电压
应力为

1:1 的功率开关，导致拓扑所需功率开关最多；图 1 的非对称 h 桥五电平逆变器混合

应用电压应力比为

1:2 的功率开关，以较少的功率开关输出五电平电压，从输出电压电平

数和所用功率开关数的角度来说，比前三类拓扑具有更大的优势。

　　

3 通用调制策略

　　图

1 中的非对称 h 桥五电平逆变器已有的调制策略分别采用特定次谐波消去法［3］和

方波

-消谐波 pwm 合成调制策略［4］，前者在电机驱动场合的频繁宽调速范围过程中，开

关转换时刻的查表值与真实值之间会存在一定的偏差，后者需要把高、低频功率开关的半桥
进行分离调制，计算出高频功率开关半桥的调制波，增加了调制策略的复杂性。针对这些问
题，本文提出一种对非对称

h 桥五电平逆变器具有通用性的调制策略。

　　

3.1 通用调制策略原理

　　目前常用的

“半桥”主要有三种类型：两电平半桥 hb1、二极管箝位型 n 电平半桥 hb2、电

容箝位型

n 电平半桥 hb3。而将这三类

“半桥”进行有序混合，构成通用非对称 h 桥如图 2 所

示。图中

hbx

’表示这个“半桥”相对于 hbx 以较少的耐高压功率开关工作于阶梯波调制方式，

而

hbx 则以较多的低压功率开关工作于 pwm 调制状态，x 为 1、2、3，偶数 m 为直流电源的

标么系数，输出电压的每个电平电压为

e。非对称 h 桥的特点是，当 pwm 调制状态的半桥

hbx 的功率开关承受 e 的关断电压应力时，右半桥 hbx

’的功率开关承受的关断电压应力最