1.6 级联式多电平逆变器的结构及H桥功率单元

为了利用低耐压开关器件，获得多电平高压输出，钳位式多电平逆变器（包括二极管钳位、电容钳位和混合钳位等）所采用的办法是将电力电子开关器件串联起来组成半桥式电路结构，用一个高压直流电源供电，并用几个直流电容串联分压，再用钳位二极管或钳位电容将主开关管上的电压钳位在一个直流分压电容电压上，从而达到用低压开关器件实现高压输出的目的。这是一个很聪明的办法，但它的负面作用是多用了几个直流分压电容和几个钳位二极管（或钳位电容），同时还出现了直流电容分压的均压问题。这给钳位式多电平逆变器的应用带来了成本提高和控制复杂化的问题。同时在二极管（或电容）钳位多电平逆变器及其拓展的逆变器中，只能采用控制算法来解决这个问题。而本书将要介绍的级联式多电平逆变器，是采用具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元级联而成的一种串联结构形式，它不用钳位二极管（或钳位电容），也不存在直流电容分压问题，因此也不存在直流电容分压的均压问题。级联式多电平逆变器的主开关管的耐压，被限定在向它所在基本功率单元供电的独立直流电源电压上。多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流输出侧直接串联级叠加，就可以得到高压多电平交流电压的输出了。由于各个基本功率单元的直流电源电压是相互独立的，它们之间没有直接的电联系，所以不存在均压问题。相对于钳位式多电平逆变器而言，它在控制上也简化了许多。但是控制上的简化和没有均压问题，是以增加市电输入变压器二次绕组和整流器的个数为代价的。在此基础上，级联式多电平逆变器也针对独立直流电源个数多的电路结构发展了一些拓展和派生电路，以及一些新式的SPWM直流电源级联叠加电路，因此可以在相同电平数的条件下，使开关器件或独立直流电源的个数减至最少。

钳位式和级联式多电平逆变器电路结构的对比如表1-3所示。

1.6.1 级联式多电平逆变器的优缺点

级联式多电平逆变器是由基本功率单元（FBI或H桥）直接串联级叠加组成的一种级联式电路结构。多电平逆变器的合成原理，就是对载波三角波进行移相，并采用SPWM控制的H桥逆变功率单元直接串联级叠加而合成出高压多电平SPWM交流电压波形。因此，具有独立直流电源的级联式多电平逆变器，与钳位式多电平逆变器相比较，具有以下优点（以FBI式H桥级联为例）。

①对于m电平的逆变器，所需的单相全桥逆变器（FBI）个数和独立电源个数为（m-1）/2，输出相电压的电平数为m，输出线电压的电平数为2m-1。电平数越多，则输出电压波形中的谐波含量越少。

②在阶梯波调制时，开关管工作在基频状态，损耗小，效率高。

③与钳位式多电平逆变器相比，当输出电平数相同时，所需的元器件数目最少。

④容易实现模块化，易于扩展。

⑤直流电源电压的利用率比钳位半桥式结构的多电平逆变器高。

⑥基于低压小容量逆变器的级联组成方式，技术成熟、容易实现，比较适合于七电平以上的多电平逆变器场合应用。

⑦容易使用现有的软开关技术，不用阻容吸收电路。

⑧不存在直流分压电容的电压平衡问题。

⑨各个开关管的导通时间相同。

⑩控制方法简单，每个基本功率单元可以独立进行控制。

○1不用钳位二极管和钳位电容，也不用相应的钳位电路。

级联式多电平逆变器的缺点包括以下两个。

①所需的独立直流电源的个数较多。但对于绿色变频调速器而言，由于它需要使用多相输入整流变压器，故在这种条件下，独立直流电源的个数多也就不是什么缺点了。

②由于二极管整流器的存在，故不容易实现四象限运行。当采用双向开关整流器时，这个问题就不存在了。

1.6.2 基本功率单元H桥的定义及典型级联结构

为了使对本书后面内容的叙述方便，我们对基本功率单元H桥特做如下的定义：称由两个两电平半桥式逆变器并联组成的单相全桥式逆变器（FBI）为2H桥，即指由两个两电平半桥式逆变器并联组成的桥；称由两个三电平半桥式逆变器并联组成的单相全桥式逆变器为3H桥，即指由两个三电平半桥式逆变器并联组成的桥。把2H桥与3H桥统称为H桥。

下面介绍级联式多电平逆变器的电路结构。

最早的级联式多电平逆变器是以具有独立直流电源的2H桥为基本功率单元进行的直接串联级联叠加，现在已经把它扩展到了以具有独立直流电源的3H桥为基本功率单元的直接串联级联叠加，或具有独立直流电源的2H桥与3H桥的混合串联级联叠加，以及采用不同开关器件的2H桥或3H桥的直流串联级联叠加等。级联式多电平逆变器的几种典型电路结构如图1-10所示，其中图1-10（a）所示为两个2H桥的串联级联叠加；图1-10（b）所示为两个3H桥的串联级联叠加；图1-10（c）所示为一个2H桥与一个3H桥的串联级联叠加；图1-10（d）所示为不同开关器件的两个2H桥的串联级联叠加。但应用较多的仍是2H桥的串联级联叠加，原因有两个：一是它容易实现模块化；二是它所用的元器件最少，不用钳位二极管或钳位电容。