3.5 IGBT-2H桥与3H桥的混合级联叠加逆变器

IGBT-2H桥与3H桥的混合级联叠加是为了减少钳位二极管或钳位电容，避免2H桥所用独立直流电源个数过多的一种级联叠加方式。为了方便，这里只介绍两种级联叠加形式：一种是一个2H桥与一个钳位式三电平逆变器（二极管钳位或电容钳位式三电平逆变器）级联叠加的SPWM多电平逆变器；另一种是2H桥与一个3H桥级联叠加的SPWM多电平逆变器。本节主要介绍这两种SPWM多电平逆变器的输出电压表示式。

3.5.1 一个2H桥与一个钳位式三电平逆变器的级联叠加

一个2H桥与一个钳位式三电平逆变器级联叠加的电路及其工作波形如图3-15所示，图3-15（a）为其电路图，图3-15（b）为其工作波形图。这种级联方式也被称做3/3主从式级联。它们的直流电源电压分别为E和2E。

假定2H桥与钳位式三电平逆变器都采用了SPWM控制，其中载波三角波采用的是单极性反相层叠式三角波。钳位式三电平逆变器的载波三角波uC2超前于2H桥载波三角波uC1 180°（因为2H桥与钳位式三电平逆变器是由两个类似的基本单元组成的，即级联单元数N=2，所以载波三角波的移相角为2π/2=180°）。2H桥与钳位式三电平逆变器采用同一个正弦波作为调制波，以便使2H桥与钳位式三电平逆变器的输出电压具有相同大小和相位的基波电压，以便进行叠加。

由式（3-1）可知，2H桥的直流电源电压为E，其输出电压表示式为

由式（2-27）可知，当钳位式三电平逆变器的直流电源电压为2E时，可得

式中，α2为钳位式三电平逆变器SPWM调制中载波三角波的初相位角。

假定α2=α1+π（因为2H桥与钳位式三电平半桥式逆变器的串联级联叠加是两个相似基本功率单元的叠加，也相当于单元个数N=2的叠加，所以2π/2=180°=π）。由于2H桥与三电平逆变器的SPWM控制采用的是同一个正弦调制波，它们的输出电压uP和uao具有相同的基波电压，所以串联级联叠加后的输出电压为

假定α1=0°，则α2=α1+π=π，（e-jm′α1+e-jm′α2）=（e-jm′0°+e-jm′π）。当m′为偶数时，（e-jm′0°+e-jm′π）=2；当m′为奇数时，（e-jm′0°+e-jm′π）=0，所以式（3-23）变为

由式（3-24）可知，在输出电压uA中，不仅消除了2F′±1次以下的低次谐波，而且还消除了m′=2及m′为奇数的载波谐波与其上、下边频，输出电压的幅值增大了一倍，输出电压的电平数等于2×2+1=5。该电路的工作波形及输出电压uA的波形如图3-15（b）所示。

3.5.2 一个2H桥与一个3H桥的混合级联叠加

一个2H桥与一个3H桥级联叠加的电路如图3-16所示，图3-16（a）为其电路图，图3-16（b）为其工作波形图。这种电路级联方式又被称做5/3主从级联式。2H桥与3H桥都采用SPWM控制，且都采用单极性反相层叠三角波做载波，只是3H桥的左桥臂载波三角波uC2的初相位角α2比2H桥的载波三角波uC1的初相位角α1 超前2π/3=120°；而3H桥的右桥臂载波三角波uC3的初相位角α3比其左桥臂的载波三角波uC2的初相位角α2超前2π/3=120°，即有α2=α1+2π/3，α3=α2+2π/3=α1+4π/3，这是由于如图3-16（a）所示的电路相当于三个功率单元的叠加，N=3，所以相差度数为2π/3=120°。2H桥与3H桥的左桥臂采用同一个正弦波做调制波，而3H桥右桥臂则采用与左桥臂相位相反的正弦波做调制波，以便使它们的输出电压具有大小相同，或相位相同与相反的基波，便于实现串联级联叠加。

由式（3-1）可知，2H桥的直流电源电压为E，其输出电压表示式为

由式（3-12）及式（3-15）可知，3H桥左、右桥臂的输出电压表示式为（当直流电源电压为2E时）

因此，叠加后的输出电压uA的表示式为

假定α1=0°，则α2=α1+2π/3=0°+2π/3=2π/3；α3=α2+2π/3=2π/3+2π/3=4π/3，所以式（3-28）中的（e-jm′α1+e-jm′α2+e-jm′α3）=（e-jm′0°+e-jm′2π3+e-jm′4π3）。当m′等于3的整倍数时，；当 m′不等于3的整倍数时， 。而当 m′为偶数时，cosm′π=1，当 m′为奇数时，cosm′π=0。因此，式（3-28）变为

由式（3-29）可知，在输出电压uA中消除了3F′±1次以下的低次谐波，以及m′=3的整奇倍数的载波谐波与其上、下边频。输出电压的电平数等于3×2+1=7，幅值增加了三倍。该电路的工作波形与uA的输出电压波形如图3-16（b）所示。