基于软开关技术的级联式逆变器仿真研究

杨 鑫 韩如成 智泽英

（太原科技大学，太原 30024）

多电平变换技术的思想最早是在 1980年IAS年会上，由日本长岗科技大学的 A. Nabae 等人提出的[1]。主要包括二极管钳位式、飞跨电容箝位式以及级联型逆变器3种。由于其可以在一定程度上缓解功率开关器件耐压不足与高压大功率驱动器之间的矛盾，并且可以减小 dv/dt和di/dt，降低输出电压的谐波含量，成为了人们在大功率驱动领域的研究热点。但是目前大多数的逆变器都工作在硬开关状态，而为了达到较好的输出效果，开关器件都工作在比较高的开关频率下，如此会产生较高的开关损耗，并对周围的设备产生严重的电磁干扰，针对这一问题很多学者致力于研究多点平逆变器的软开关技术。目前大多数研究都集中在输出效果较好的箝位式多电平逆变器的软开关研究。但是由于箝位式多电平逆变器本身结构比较复杂，在添加辅助软开关电路之后，其电路结构、控制方式变得更加复杂，使得电路的可靠性大大降低，目前仅局限于理论研究，无法进一步实现应用[2]。本文在对各种多电平逆变器及各种软开关技术的基础上，权衡利弊，提出了一种较为实用的混合级联式多电平逆变器，并加入了软开关电路，实现了部分级联单元开关器件的软开关动作。此种电路拓扑结构降低了电路结构、控制方式的复杂度，通过Simulink/Matlab仿真软件验证了电路仍然可以达到较好的输出效果。

1 主电路及工作原理

基于软开关技术的新型混合级联式多电平逆变器主电路的拓扑结构如图1所示。现将电路分成主、副两部分以简化阐述。

图1 主电路拓扑结构

主级电路采用的是带有谐振极型软开关辅助电路的三相桥式逆变单元[3]。软开关辅助电路为 2个反向串联的IGBT开关器件分别串联1个电感后并联1个电容结构，由于文献[2]对此软开关电路工作过程做了较为详细的分析，现只对其工作过程进行简单阐述：此软开是通过对SF1的通断来控制LF1,LF2,CF1,CF2的谐振以实现Sa1的软开关，对与SF1反串联的SF2的通断控制来实现Sa2的软开关。副级电路是传统的 2级 H桥相串联的逆变拓扑结构。主、副级逆变单元的直流侧电压均为E，主级逆变单元输出电压为±E，各H桥逆变单元输出电压为-E，0，+E，理论上整个逆变电路输出电平分别为-2E，-E，E，2E。但是主级逆变单元的工作频率高于副级逆变单元，使得逆变电路的最终输出电平数高于理论输出电平数。

本文所提出的新型逆变拓扑电路保留了文献[2]所提出的三相桥式软开关电路的优点又继承了传统的桥式级联型多电平逆变拓扑的优点：①软开关辅助电路可以分开控制，三相逆变电路也是可以独立控制的，减少了相间的干扰；②不存在软开关操作与逆变器开关管信号同步问题，可以很方便的采用常规的 PWM调制方式；③在实现主开关零电压零点流开关的同时辅助开关也可以实现零点流开通和零电压零电流关断；④实现了逆变桥的续流二极管的软性关断，解决了其反向恢复问题；⑤辅助开关器件所承受的电压被控制在了直流母线电压值以下；⑥仍然可以实现电路的模块化，当某一单元发生故障的时候可以将其旁路而不影响电路的整体功能。除此以外，该电路H桥逆变单元工作频率较三相桥式逆变单元低一个数量级，并且软开关电路可以有效地降低高频逆变单元的开关损耗，从而使得整体的逆变器工作效率有所提高。

2 逆变器控制策略

目前逆变器主电路最常用的的调制策略就是PWM调制方式，而PWM技术中应用最为普遍的是正弦脉宽调制（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）。正弦脉宽调制在多电平逆变器中应用比较广泛[4]，而其又分为垂直分布载波调制和移相载波调制。结合所构建的新型高压大功率逆变电路的结构特点，经过本人多次仿真比较，采用了一种具有针对性的改进型移相载波调制策略，即主级逆变单元采用较高频率的普通 PWM调制方式，副级逆变单元采用较低工作频率的垂直分布载波调制方式，图2为其示意图，其中弧形为1/2周期的正弦波，较密的为10kHz三角载波，另外4个对称分布与零轴上下两侧的为1kHz的三角载波。

图2 调制策略示意图

在各逆变单元直流侧电压等级相同的情况下，主级逆变单元工作于较高的开关频率，作为主要功率输出单元。副级逆变单元工作于较低开关频率，起到改善三相桥式逆变单元所输出电压波形质量的作用。在保证逆变器整体开关损耗较低的前提下，实现了较低的输出电压谐波含有率，增加了开关冗余，提高了输出电压。

目前的软开关控制方式主要分为定时间控制和变时间控制两种[5]。变时间控制指的是辅助开关开通固定时长以形成主开关管得软开关条件；变时间控制需要大量的电压、电流检测电路，当检测到主开关管所需软开关条件时及产生动作信号，来达到软开关的目的。本文采取电路结构较为简单的定时间控制方式，即当主开关Sa1的开关信号到来之时，先导通SF1，经过固定时长，当达到Sa1软开关所需条件时再给Sa1以触发信号以使其导通或者关断。

3 仿真及结果分析

为了验证所提新型逆变器拓扑结构的正确性，采用拥有强大仿真功能的Matlab/Simulink仿真软件对其进行仿真研究。仿真框图如图3所示，仿真参数如下：各逆变单元直流电压 E=500V，阻感负载R=4.4Ω，L=0.1H，假定流过谐振电感LF1的电流上升率为80A/μs，则根据参考文献[1]所给出的公式可以计算出谐振电路的电感、电容值分别为LF1=LF2=3.4μH ，CF1=CF2=14.39μF。由于电路具有对称性，此处只对A相进行分析。

图3 系统仿真框图

图4（a）、（b）分别为新型软开关逆变电路和传统3级H桥级联型逆变电路输出电压波形图。图5（a）、（b）分别为其对应频谱分析图。

图4 新型软开关逆变器及3级H桥级联逆变器输出电压波形

图5 新型软开关逆变器及3级H桥级联逆变器输出电压频谱分析

从图4图5中可以看出，采用了具有针对性的调制策略以后逆变输出电平数有所增加，而并非是理论计算的四电平输出，使得其输出电压的波形更加接近正弦波。

通过傅里叶变换对分析可以得出2种不同拓扑结构的逆变器输出电压总谐波畸变率分别为19.35%和19.22%，在带有相同阻感负载的情况下，负载电流总谐波畸变率分别为 0.68%和 0.76%。由图 5（a）和（b）可以对比出新型带有辅助谐振电路的级联型逆变器比传统的 3H桥级联逆变器的输出电压具有更多的开关冗余，有图6的频谱分析图可以看出，所提出的新型软开关级联型逆变电路的输出电压中仅有特定次谐波含有量较高，而其它次的谐波含有率非常低。

4 结论

本文提出了一种带有辅助谐振电路的三相桥式逆变单元与2级H桥逆变单元相级联的大功率逆变拓扑结构。较与其级联数相同的3级H桥级联式逆变器相比，其输出电压的谐波含有率只是稍有增加。在比传统的3级H桥级联式逆变器少了6个开关器件的开关损耗的前提下，仅增加8个电容、6个电感，且辅助谐振电路仅仅在主开关管的开关状态发生变化时才启动工作，又降低了三相桥式逆变单元其它开关器件的开关损耗，使得逆变器的整体效率大大提高，降低了开关损耗，减少了逆变器主电路对周围设备的电磁干扰。通过Matlab/Simulink仿真软件的仿真研究证明了所提出的新型的拓扑结构的正确性。本电路结构较为简单，由于并没增加过多的附加开关，也没有N电平二极管钳位电路中的大量的箝位二极管、电容等器件，在控制上也比较容易实现，因而是一种平衡开关损耗、输出效果和结构、控制复杂度的较为理想的拓扑结构，值得更进一步的深入研究。

[1]NABAE A, AKAHASHI I, AKAGI H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[C]. IEEE Trans.on Industry Amplications. 1981,17(3):518-523.

[2]王鸿雁,何湘宁.多电平逆变器有源软开关技术的研究[J].电源应用技术,2002,5(7): 304-308.

[3]王强,张化光,褚恩辉,刘秀翀,侯利民.新型零电压零点流谐振机型软开关逆变器[J].中国电机工程学报,2009,29(27):15-21.

[4]刘凤君. 现代逆变技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]贺虎城,刘卫国,李榕,马瑞卿. 电机驱动用新型谐振直流环节电压源逆变器[J]. 中国电机工程学报,2008,28(12):60-65.