一种基于开关电容的单电源升压型六电平逆变器

岳 舟，刘小荻，姚绍华，周 勇

一种基于开关电容的单电源升压型六电平逆变器

岳 舟，刘小荻，姚绍华，周 勇

(湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南 娄底 417000)

针对现有开关电容型多电平逆变器存在拓扑结构复杂、器件数量较多、电容电压不平衡以及电压应力较大等缺点，提出一种新型的基于开关电容的六电平逆变器。该电路拓扑由6个功率开关、1个直流电压源和3个电容组成，可以产生2.5倍升压增益的六电平输出电压。此外，由于电容由输入直流电压源直接充电至固定电压，因此电容电压能够实现自动平衡。对所提逆变器的工作原理、PWM调制策略以及电路参数等方面进行详细分析，同时还对该逆变器与现有多电平逆变器进行了对比研究。最后采用Matlab软件建立了仿真模型，仿真结果验证了所提电路的有效性和可行性。

六电平逆变器；开关电容；单电源；升压逆变器

0 引言

近年来，可再生能源系统中多电平电压源逆变器的研究与应用受到越来越多的关注。其主要原因是多电平电压源逆变器[1-2]比传统的两电平电压源逆变器具有明显的优势，例如高质量的输出波形、半导体器件较低的阻断电压额定值、更小的滤波器以及低电磁干扰(EMI)等。然而，传统的多电平电压源逆变器，包括中性点箝位(NPC)[3-4]、级联H桥(CHB)[5-6]和飞跨电容(FC)逆变器[7]，都是降压变换器，其输出交流电压峰值低于输入直流电压。此外，还需要大量的直流链路电压源或大量的半导体器件才能产生更高电平的输出电压。对于低输入电压变换为高输出交流电压的可再生能源系统应用，已将阻抗网络[8]或DC-DC升压变换器[9-10]添加到传统多电平逆变器中，以提供升压功能。但添加的这些功率变换电路使用了更多的半导体器件以及无源元件，会带来更高的损耗及成本。

近年来，已经开发出许多具有升压能力和减少元件数量的多电平逆变器[11-12]。文献[11]通过将开关电容技术集成到传统CHB多电平逆变器中，引入了1种混合多电平逆变器。在这种拓扑结构中，使用由1个电容、2个开关和1个二极管组成的开关电容网络来提高输入电压。文献[12-15]提出了基于开关电容的七电平逆变器，其输出电压电平高达输入电压的3倍。此外，所有电容直接从输入电压源充电。因此，电容上的电压应力相同，使得电压平衡容易。文献[16]通过将H桥与新型开关电容单元集成，提出了一种具有自平衡的升压开关电容多电平逆变器。这种拓扑结构能够用1个直流电源提供9个电压电平。然而，该拓扑仅提供低电压增益。此外，由于串联的两个电容具有不同的放电速率，使得这2个电容电压不平衡。文献[17]对文献[16]提到的拓扑结构进行了改进，以限制半导体器件上的电压应力。然而，这种拓扑结构存在电压增益较低和电压不平衡的问题。与文献[16-17]类似，文献[18]提出的升压开关电容多电平逆变器使用单个直流电源能够提供多达9个电压电平，并且其最大电压电平是在输入电压的2倍时实现的。文献[19]提出了一种新型开关电容九电平逆变器，其输出电压电平高达输入电压的4倍。然而，如文献[16-17, 19]所述，这些拓扑结构的局限性包括半导体器件上的高压应力以及在三相拓扑中使用大量隔离直流电源。然而，如文献[11-19]中所述，太阳能光伏(PV)系统[20-21]中的泄漏电流问题尚未解决。因此，要使这类拓扑适合光伏应用，需要一种有效的方法来降低其泄漏电流。

最近，一些文献中提出了几种基于公共接地[22-27]和半桥电容概念[28-31]的开关电容型多电平逆变器，以减少泄漏电流。基于CHB结构，文献[22]提出了一种具有公共接地的单电源开关电容多电平逆变器以消除泄漏电流。该逆变器使用1个直流电源可以提供7个电压电平，其最大电压电平为输入电压的3倍。然而，与传统的多电平逆变器类似，这种拓扑的主要缺点是使用大量的半导体器件和电容来产生多个输出电压电平。与文献[22]类似，文献[23]提出了一种带公共接地的开关电容九电平逆变器。在这种情况下，电源电路使用许多半导体器件。文献[24-25]讨论了两种带公共接地的开关电容五电平逆变器。在这些拓扑中，PV的负极端子和电网中性线直接连接，其结果是共模电压被钳制为0。然而，这些拓扑缺乏电压提升能力，其峰值输出电压低于输入电压。文献[26]提出了一种新型的带公共接地的开关电容七电平逆变器，该拓扑结构使用1个直流电源提供7个电压电平，其最大电压电平达到输入电压的3倍。然而，该拓扑包含不平衡电压，因为4个电容以不同电平电压充电。文献[27]讨论了具有泄漏电流限制能力和减少元件数量的开关电容九电平逆变器，在这种拓扑结构中，PV的正极端子和电网中性线直接连接。因此，共模电压保持恒定。与文献[26]类似，该拓扑也包含不平衡电压。文献[28-30]介绍了几种开关电容型七电平逆变器，两个去耦直流链路电容的中点直接连接电网中性线。因此，共模电压保持恒定。然而，这些拓扑的电压增益较低。文献[31]介绍了一种具有泄漏电流限制能力和减少元件数量的开关电容四电平逆变器。与其他开关电容多电平逆变器拓扑类似，该拓扑存在电压增益低的问题，峰值输出电压限制在输入电压的1.5倍以下。

针对上述问题，本文提出一种新的基于开关电容的六电平逆变器拓扑结构。所提拓扑结构能够产生最大电压电平为输入电压2.5倍的六电平输出电压，并且可以提供电容电压的自平衡功能。在该逆变器中，两个去耦直流环节电容的中点与电网中性线直接连接以消除泄漏电流。本文详细讨论了采用PWM控制技术的工作原理，并对其等效电路进行分析，同时还对所提逆变器与其他现有多电平逆变器进行了比较研究。最后，采用Matlab软件进行了仿真研究，仿真结果验证了理论分析的正确性。

1 基于开关电容的六电平逆变器

将传统的半桥逆变器与基于开关电容的网络相结合，提出了一种具有升压功能的单相混合六电平逆变器。图1(a)为所提基于开关电容(switched- capacitor, SC)的单相六电平逆变器(six-level inverter, SLI)的拓扑结构，本文简称SCSLI。该拓扑结构由3个电容Ca、Cb、Cc、2个去耦直流链路电容Ci1、Ci2，4个功率开关Sa、Sb、Sc、Sd和4个功率二极管Da、Db、Dc、Dd组成。该拓扑结构可实现降压或升压的电压转换，并在输出电压端提供6个(±2.5dc、±1.5dc和±0.5dc)电压电平。图1(b)为所提基于SC的三相SLI的拓扑结构，该拓扑可以通过在单个直流电压源上并联3个基于SC的SLI模块，每相可以在输出端生成6个电压电平。

1.1 工作原理

所提SCSLI的工作原理可以通过不同开关状态的6种工作模式进行分析，如表1所示。

每种工作模式的等效电路如图2所示，具体描述如下。

工作模式1：如图2(a)所示，开关S1和Sd导通，开关Sa、Sb、Sc和S2关断。因此，二极管Dc导通，二极管Da、Db和Dd被阻断。在此状态下，电容Cc通过Udc—Sd—Cc—Dc回路由输入直流电源充电。将存储在电容Ca和Cb的能量释放到负载以提高输出电压。SCSLI的输出电压(o)等于电容Ca、Cb和Ci1上的电压之和。

工作模式2：如图2(b)所示，开关S1、Sa和Sc导通，开关S2、Sb和Sd关断。因此，二极管Da和Db导通，二极管Dc和Dd被阻断。在此状态下，电容Cb通过dc—Da—Sa—Cb—Db—Sc回路由输入直流电源充电。电容Cc浮动，电容Ca用以提高输出电压。在这种情况下，输出电压等于电容Ca和Ci1电压之和。

表1 6种工作模式下半导体器件和电容的状态

注：“C”表示充电模式；“D”表示放电模式；“F”表示浮动模式。

工作模式3：如图2(c)所示，开关S1、Sb和Sc导通，开关Sa、Sd和S2关断。因此，二极管Dd导通，二极管Da、Db和Dc被阻断。在此状态下，电容Ca由输入直流电源充电。2个电容Cb和Cc与电路断开，而电容Ci1与负载并联。因此，该逆变器的输出电压为电容Ci1的电压。

工作模式4：如图2(d)所示，开关S2和Sd导通，开关Sa、Sb、Sc和S1关断。因此，二极管Dc导通，二极管Da、Db和Dd被阻断。可以看出，电容Cc由输入直流电源充电，电容Ca和Cb浮动。该逆变器的输出电压为负，等于电容Ci2的电压。

工作模式5：如图2(e)所示，开关S2、Sa和Sc导通，开关S1、Sb和Sd关断。因此，二极管Da和Db导通，二极管Dc和Dd被阻断。在此状态下，电容Cb通过dc—Da—Sa—Cb—Db—Sc回路由输入直流电源充电。电容Ca浮动，电容Cc放电。输出电压等于负的电容Cc电压和负的电容Ci2电压之和。

工作模式6：如图2(f)所示，开关S2、Sb和Sc导通，开关Sa、Sd和S1关断。因此，二极管Dd导通，二极管Da、Db和Dc被阻断。此外，电容Ca由输入直流电源充电。2个电容Cb和Cc放电。此时，该逆变器的输出电压等于负的电容Cc电压、负的电容Cb电压和负的电容Ci2电压之和。

1.2 PWM调制策略

图3为针对SCSLI提出的PWM调制策略。为了给所提SCSLI的开关提供PWM控制信号，将调制正弦波与5个电平移位高频三角形波进行比较。所提PWM调整策略使用基于逻辑关系的操作为6个开关提供门极驱动信号。

图3 PWM信号生成方案

1.3 电容的选择

与现有的单相开关电容多电平逆变器类似，所提SCSLI在每个电容中也具有低频纹波，这导致效率降低，并增加功率变换的THD。从图1可以看出，SCSLI输出电流被平均分割为2个解耦的直流链路电容Ci1和Ci2。因此，Ci1和Ci2的电压约为输入电压的一半。电容Ci1和Ci2的最大放电量如式(7)表示。

式中，是输出电压参考信号的周期。

可以计算出Ci1和Ci2的最佳电容为

在计算电容Ca、Cb和Cc的电压纹波时，考虑了3个电容的最长放电周期。由于是对称操作，Ca和Cc的最长放电时间与表1中突出显示的时间相同。此外，电容Ca的最长放电时间从2到4(开关状态模式1和模式2)，如图4所示，时间间隔2和4的计算公式为

式中，和分别是输出电压的基频和调制指数。

电容Ca和Cc的最大放电量可表示为

根据式(8)和式(10)，Ca的最佳电容计算公式为

求解式(12)，Cb的最佳电容计算公式为

根据文献[32-33]，对于纯电阻负载条件，电容的最大放电量计算公式为

对于阻感负载条件，所提SCSLI输出电流为

电容的最大放电量计算公式为

可以看出，电容的最大放电量与输出电流的峰值以及输出电压和输出电流之间的相位差有关。

由1.1节对所提六电平逆变器工作原理的分析和表 1 所示的功率开关和电容状态可知，电容 Ca、Cb和Cc在输出电压的1个周期内均交替工作在充电状态和放电状态。Ca在输出电平为-2.5dc和+0.5dc时与直流电源并联充电，而在输出电平为+2.5dc时与直流电源串联后一起向负载放电；Cc在输出电平为+2.5dc和-0.5dc时与直流电源并联充电，而在输出电平为-2.5dc和-1.5dc时与直流电源串联后一起向负载放电；Cb在输出电平为+1.5dc和-1.5dc时与直流电源并联充电，而在输出电平为+2.5dc和-2.5dc时与直流电源串联后一起向负载放电。可见，在输出电压的1个周期内，电容Ca、Cb和Cc均多次与直流电源串联充电，使得它们的电压均能动态保持在输入直流电源电压(这里为0.5dc)的幅值并自动实现平衡。

1.4 与其他多电平逆变器的比较

表2将所提SCSLI与其他多电平电压源逆变器进行了比较，主要从元件器数量、电压电平数、升压能力、开关数与电压电平数的比率(开关/电平比)、充电路径中的最大开关数、开关的总持续电压(TSV)、开关的最大持续电压(MSV)、三相拓扑具有单电源能力以及消除泄漏电流能力等方面进行对比。文献[16-17, 19]中的开关电容型九电平逆变器具有升压能力，并在不消除泄漏电流的情况下在输出端产生九电平。此外，三相拓扑需要多个隔离直流电源，而所提SCSLI仅需要单个直流电压源。文献[15]中的开关电容型七电平逆变器可以实现电压提升，在不能消除泄漏电流的情况下产生七电平输出。其每级变换比也是最高的，但三相电源需要多个隔离直流电源。文献[15]中的拓扑TSV为16dc，而所提逆变器的TSV为11dc。与文献[15]相比，所提逆变器的MSV高于文献[15]中的MSV。与文献[16]的开关电容型九电平逆变器相比，所提SCSLI多使用3个二极管、4个开关和3个电容。与文献[17, 19]中的拓扑相比，所提SCSLI使用了4个以上的二极管、6个以下的开关和2个以上的电容。表2表明，文献[22]讨论的多电平电压源逆变器需要17个开关，在输出端产生9个电平，同时可以消除泄漏电流，而所提SCSLI拓扑只需要6个开关。因此，所提逆变器的开关/电平比低于文献[22]中拓扑的开关/电平比。

如表2所示，文献[23]讨论的多电平电压源逆变器需要13个开关，而所提SCSLI只需要6个开关。文献[24-25, 29]中的拓扑需要有源和无源元件数量低于所提的SCSLI拓扑。然而，这3种拓扑不具有升压能力。此外，文献[24]讨论的多电平电压源逆变器需要多个隔离直流电源作为三相电源。与文献[23]的多电平电压源逆变器类似，文献[25-30]的拓扑可以消除泄漏电流，并且在单相和三相拓扑中只需要1个直流电压源。文献[26]提出的拓扑每级变换比最低，仅为0.86。与文献[27]相比，所提拓扑的TSV更低。与所提拓扑类似，文献[26-27]的单相和三相拓扑中需要单个直流电压源。此外，所提SCSLI拓扑可以提供2.5倍的电压增益，而文献[28, 30]的拓扑只能提供1.5倍的电压增益。与文献[30]的开关电容型九电平逆变器相比，所提SCSLI拓扑多使用4个二极管、4个开关和1个电容。所提的SCSLI拓扑与文献[23-30]的拓扑一样能够消除泄漏电流。

表2 SCSLI与其他类似多电平逆变器的比较

注：“TSV”表示开关的总持续电压；“MSV”表示开关的最大持续电压。

2 仿真验证

图5 单位功率因数条件下的仿真结果

当所提SCSLI分别为阻感负载(40W+ 85 mH)和纯电阻负载(40W)供电时，其输出电压和负载电流波形如图7所示，所提逆变器提供了在交流侧传输无功功率的能力。

图6 不同调制指标下的仿真结果

图8分别是在三相纯电阻负载和阻感负载(40W-100 mH/相)情况下的输出相电压、输出线电压和负载电流波形。从图8可以看出，所提逆变器在使用单个直流电压源的情况下实现了三相输出。

3 结论

本文提出了一种基于开关电容的单相六电平逆变器拓扑结构和三相拓扑结构，并详细阐述了两种拓扑结构及其工作原理。与类似多电平逆变器对比，证实了所提逆变器的优点。仿真分析验证了所提电路的可行性。该拓扑结构可用于产生六电平输出电压，从而减小输出滤波器的尺寸。此外，该拓扑具有升压能力，最大电压电平为输入电压的2.5倍。与所提逆变器的单相拓扑类似，使用单个直流电压源对三相拓扑中的所有电容充电。在单相和三相拓扑中使用单个直流电压源以及电容电压的自平衡特性是其另一个优点。此外，泄漏电流是光伏应用中的关键因素之一，在该逆变器中可以得到有效地衰减。然而，该逆变器的缺点是不能产生零电压电平。

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A single supply boost six-level inverter based on a switched-capacitor

YUE Zhou, LIU Xiaodi, YAO Shaohua, ZHOU Yong

(College of Energy, Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Humanities,Science and Technology, Loudi 417000, China)

There are problems associated with complex topologies, large numbers of devices, unbalanced capacitor voltages and high total standing voltage stresses in existing switched-capacitor based multilevel inverters. Thus a new six-level inverter based on a switched-capacitor is proposed. The proposed structure consists of six switches with a single DC voltage source and three floating capacitors. It is capable of producing a six-level output voltage waveform with a voltage boosting gain of 2.5 times. The voltages of the capacitors are constructively balanced because they are directly charged to fixed voltage by the input DC voltage source. The operating principle, PWM modulation strategy and circuit parameters of the proposed inverter are analyzed in detail. A comparative study between the proposed inverter and other existing multilevel inverter topologies is also discussed.Finally, a simulation model is established in Matlab software, and the results verify the effectiveness and feasibility of the proposed circuit.

six-level inverter; switched-capacitor; single supply; boost inverter

10.19783/j.cnki.pspc.220205

国家自然科学基金项目资助(61702182)；湖南省教育厅优秀青年项目资助(20B328)；湖南省创新训练项目资助(S202110553023)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61702182).

2022-02-21；

2022-04-24

岳 舟(1982—)，男，硕士，副教授，研究方向为电力电子与电力传动。Email: yuezhou2000@163.com

(编辑 姜新丽)