一种多电平逆变的实现方法

黄林森，龙永红，周亚星，杨亮

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

一种多电平逆变的实现方法

黄林森，龙永红，周亚星，杨亮

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

针对传统多电平逆变电路结构和控制原理复杂，实现成本高，且不适应于中小功率逆变场合运用的缺点，设计了一种适用于中小功率场合的多电平逆变。通过组合变流技术合理地控制PWM，获得多电平逆变所需的电压波形。介绍了该多电平逆变的原理和设计方法，给出了系统的电路结构，并通过Multisim 11.0对设计进行了仿真。仿真结果表明，能通过控制给定电压的方法实现多电平逆变，输出电压波形能较好地跟随给定，控制方法简单。

变流技术；多电平逆变；Multisim 11.0

0 引言

传统桥式逆变器由于其结构简单、易控制而得到了广泛应用。然而其输出波形中谐波成分较大，使得桥式逆变器在精密设备中的应用受到限制[1]。变频器在使用过程中给电网带来了严重的谐波污染，而变频器的逆变环节是产生谐波的主要根源。在许多场合，对逆变得到的交流电源质量有十分严格的要求，以确保用电设备的正常工作。因此，如何降低逆变器交流输出中的谐波含量，引起越来越多的人重视[2]。

降低逆变谐波常用的方法有特定谐波消去法和多电平技术方法。特定谐波消去法，在交流输出中，叠加幅值相等方向相反的特定谐波，从而消除交流输出的某些谐波。目前这种方法在实现时，由于计算和产生特定的谐波比较难，因而实际使用较少，多用于消除少数几次谐波。多电平技术方法，目的是使逆变得到的交流波形，由尽可能多的电平构成，从而消除低次谐波。但传统的多电平逆变，电路结构和控制原理复杂，实现成本高，通常只在一些大功率的逆变场合使用。随着对多电平逆变研究的深入，现在已经有基于Buck电路、双Sepic和双Cuck等用直流斩波来实现的多电平逆变[3-4]。这些新型拓扑也存着不足，如无法实现输入与输出的隔离。本文主要研究利用组合变流技术实现多电平逆变。该多电平逆变方法具有控制简单、开关管个数少、能实现输入输出隔离、适用于中小功率场合的特点。

1 传统多电平逆变实现方法

实现传统多电平逆变常用的方法有：二极管钳位型多电平电路、飞跨电容型多电平电路和联级多电平电路[5]。多电平逆变器可以由传统两电平半桥逆变器结构按照相同的半桥结构，通过增加直流分压电容，将直流电压分成多种直流电压，然后通过加入钳位电路和增加开关管的串联个数，构成半桥式多电平逆变器，用不同的开关组合得到多电平输出；另一种是利用单相全桥逆变器，通过直接串联叠加，组成联级式多电平逆变器。联级式多电平逆变器要求每一个单相全桥逆变器必须是独立的直流电源才能进行联级，独立电源的电压可以不相等，通过不同电压的取法，可以得到不同电平数的电压输出。

2 基于组合变流技术的多电平逆变

图1为全桥开关稳压电源拓扑结构，电路由AC, DC, AC, DC的4个变流环节构成。交流Uc输入通过这4个环节的变换，可以获得所需要的Uo直流输出。Uc通常为220 V的交流电源，通过桥式不可控整流得到大约为300 V的电压；再通过全桥逆变，获得正负半周期对称的电压脉冲波形。这种组合变流克服了正激和反激拓扑结构由于电压只在单方向变化，变压器铁芯利用率低，且存在严重的直流磁化的问题[6]。桥式逆变在高频率的情况下，中间变压器体积小、重量轻、输出功率大。

图1 全桥开关稳压电源拓扑结构Fig.1The topology of full-bridge switching power supply

在图1中，Uc为交流输入，经过桥式不可控整流得到A点脉动的直流电压，该整流类型为电容滤波的单相不可控整流电路。整流输出电压峰值为（Ui为交流电压输入的有效值），通常在设计时根据负载R来选择滤波电容C的值，使得RC≥1.5，其中Tc为交流电源的周期，此时的输出电压Ud≈1.2Ui。

全桥开关稳压电源拓扑包含由4个开关器件构成的脉宽调制的逆变桥。在逆变桥中，Q1和Q3同时导通或者关断，Q2和Q4同时导通或者关断。控制中应该防止同一桥臂的上下2个管子同时开通。因此在实际控制中驱动脉冲的占空比小于50%，2组管子需要留有一定的死区。图1中高频变压器的一次侧获得输入电压幅值为E（E为电路工作时A点的电压）。由于变压器二次侧采用的是全波整流，因此最终输出的电压脉冲频率为开关管频率的2倍。假设开关管的工作频率为f，则输出电压脉冲频率为2f。所以经过脉冲变压器二次侧的电压幅值为（N1，N2分别为高频变压器一次侧和二次侧的匝数）。相关电压波形如图2～5所示。

图 2Q1, Q3驱动电压波形Fig.2The driving voltage waveform of Q1and Q3

图3 Q2, Q4驱动电压波形Fig.3The driving voltage waveform of Q2and Q4

图 4变压器一次侧电压波形Fig.4Transformer primary side waveform

图 5整流输出电压波形Fig.5Rectifier output waveform

变压器二次电压幅值

整流输出电压

在设计开关稳压电源时改变占空比D以及改变N1,N2，即可在一定范围内获得所需的直流电压输出。由于输出电压脉冲频率较高，很容易通过LC滤波得到平稳的直流电压Uo。

在传统的多电平逆变器中，无论是半桥式多电平逆变器，还是联级式多电平逆变器，其目的都是为了在最终逆变输出的交流电流中，得到更多的电平数，从而达到减少输出谐波，获得谐波含量少的交流电压波形。由开关稳压电源的工作原理分析可知，改变电路的参数和触发脉冲的占空比，可以在一定范围内获得所需的电压值。将开关稳压电源和传统多电平逆变对比，可以发现两者都具有获得不同输出电压的能力。因此可以根据开关稳压电源获得不同输出电压的特点，对开关稳压电源进行适当控制，对开关稳压电源电路进行适当改造，从而获得多电平逆变输出是可行的。

如图6所示，在一段连续的时间内，改变3次占空比，获得3个电平的电压输出。

图6 占空比改变3次的输出电压波形Fig.6Output voltage waveform for duty cycle changed three times

由图6可以看出，组合变流技术可以通过控制占空比，得到多电平输出。对占空比的改变作一些规则的变化，得到图7的输出电压波形。

图7 占空比规则变化的电压输出波形Fig.7Output voltage waveform for the duty cycle rule changing

图7中的输出电压波形在一段时间内的电平的变化接近多电平逆变的要求，呈现一定的正弦变化规律。它可以看作是由2个正弦正半周构成的多电平正逆变波形。

图7的电压波形经过一个桥式逆变，将其中的一个正弦正半波变成负半部分，得图8所示的输出电压波形。

图8 输出电压波形Fig.8The output voltage waveform

图8的电压输出波形和多电平逆变得到的电压输出波形是一致的，只需把该电压输出进行滤波后就能得到如图9所示的正弦的电压输出波形。

图9 正弦电压输出波形Fig.9Sinusoidal voltage output waveform

图10为实现多电平逆变的主电路图，它由前面所讲述的组合变流技术AC, DC, AC, DC构成的开关稳压电源，再加上一个逆变部分组成。通过这种电路结构得到多电平逆变输出，且实现了输入和输出的隔离。

图10 基于组合变流技术的多电平逆变Fig.10Multi-level inverter based on combination of converter technology

图8是多电平逆变输出的电压波形，它的电平数为7，即为7电平逆变。在实际运用中，可根据实际需求把输出电平数提高，使得最终得到的逆变输出电平数更多，最终滤波得到的波形更接近正弦波，从而达到减小输出谐波，获得更高质量的正弦输出。

3 控制原理和实现方法

3.1 正弦正半周波形的控制

假定最终输出的交流电压的周期为To，则通过开关稳压电源拓扑获得的正弦正半周的电压波形的周期为。在正弦正半周的时间内占空比的变化规律按照正弦的规律变化，就可以获得输出电压波形按正弦规律变化。由于全桥开关稳压电源的原理实际上也是利用PWM，根据面积等效的原理，获得所需输出电压。因此获得一个电平的电压输出，需要连续几个周期的控制信号，得到连续几个等占空比的电压脉冲，再通过整流稳压获得等效的电平。在获得某个电平所需占空比，且电平的变化规律按照正弦函数变化时，仍可以采用连续的输入输出函数进行分析。在控制时，根据不同的电平求得不同时间段内的占空比。

假定需要获得的交流电压波形的函数为

式中：U为逆变交流输出电压的幅值；

开关稳压电源的直流输出电压为

在控制时，只要满足Uo=Uc即可得到在正半周按正弦变化的电压波形，所以有如下分析计算：

占空比D的变化规律满足上式时，输出电压波形即可按照正弦规律变化，从而得到正弦正半周的多电平电压波形。实际运用时，在所需得到正弦波的1/4周期内，计算得到各电平对应的占空比，其余以1/4周期对称获得占空比的变化规律。图7所示占空比的控制，可由图11所示获得。

如图11所示，在OA, AB, BC三个时间段内获得3个输出电平，分别取OA, AB, BC时段的中点时刻，计算出该时刻占空比的大小。由上面的分析可知占空比和输出电压成正比，而电压在时间上为一个正弦函数。在确定某段时间所需输出电压时，即可以计算出该时刻的占空比，从而获得该段时间内的电压输出。

图11 多电平输出时占空比的控制示意图Fig.11Control schematic diagram of the duty cycle for multi-level output

3.2 实现方法举例

在电力电子领域中，有许多PWM专用控制芯片，这为PWM的占空比的控制带来了方便。TL494, SG3525等芯片都是PWM专用控制芯片。其中SG3525通过放电管脚来控制死区和占空比，TL494通过控制DTC管脚的给定电压，实现PWM输出的占空比的控制[7]。为了方便控制输出占空比的变化，在芯片选择时，可以选用如同TL494通过电压控制输出占空比类型的芯片，实现组合多电平逆变。

以TL494为控制芯片，分析如何通过模拟电路实现对占空比的控制，从而获得所需的电压波形。图12为利用文中所述方法实现的多电平逆变控制方框图。按照图11所示，当直流电源电压和高频变压器变比一定时，每个输出电平将对应一个占空比，而对于TL494输出的PWM波形的不同占空比都有一个DTC管脚的电压值对应。因此只需根据电路和所需输出的电平，计算出每个电平对应DTC管脚的电压值，然后将这些电压值加到TL494的DTC管脚，即可获得如图7所示的电平输出。最后经过一个桥式逆变，将其中的一个正弦正半波变成负半部分得到如图8所示的多电平输出。图8的电压输出波形再经过滤波，即可得到图9所示的正弦的电压输出。

图12 开环组合多电平逆变控制方框图Fig.12Control block diagram of a multi-level inverter of open loop combination

3.3仿真实验

为验证所述组合多电平逆变实现方法的可行性，在Multisim 11.0仿真软件中建立多电平逆变的仿真模型，如图13所示。

图13 仿真电路图Fig.13Circuit simulation

仿真模型以TL494作为电路的控制和驱动芯片，利用TL494产生两路互补带死区的PWM脉冲（如图14所示），驱动逆变桥的开关管，使变压器T1一次侧获得正负对称的电压脉冲。多电平给定采用电压值不同的电源串联，通过单刀多掷开关选择不同的档位，获得不同的给定电压。仿真时，手动控制单刀多掷开关，改变TL494芯片DTC管脚的给定电压，模拟半个正弦周期的多电平输出。

图14 TL494 PWM输出波形Fig. 14The PWM output waveform of TL494

图15为仿真电路中变压器二次侧电压波形，图16为给定多电平电压波形和输出的电压波形。

图15 变压器二次侧电压波形Fig.15The transformer secondary side voltage waveform

图16 给定和输出电压波形Fig.16The given and the output voltage waveform

3.4实验结果分析

由图16中的仿真结果可以看出，组合变流技术可用于实现逆变，该方法较容易实现多电平逆变，且可实现输入输出的电气隔离。在仿真模型中，占空比控制电压幅值与输出电压幅值成反比关系。通过给定占空比电压波形和输出电压波形的对比可以看出，输出的电压波形能较好地跟随给定波形。采用该组合变流技术实现多电平逆变，其中有一个环节是单极性的，可以在该环节对输出电压进行滤波，使得滤波变得更加容易。

4 结语

文中给出了一种利用组合变流技术实现多电平逆变的原理和设计方法。随着微机控制技术的发展，实际运用中可以利用微机来控制占空比，利用微处理器直接产生PWM脉冲，按照预定输出改变占空比获得多电平输出，从而简化电路，提高该多电平逆变的可靠性。文中只对这种多电平逆变方法的设计思路进行了分析，该多电平逆变电路参数的分析及电路参数的优化与研究有待进一步深入。当前的测试也还在仿真阶段，因此样机的制作和实物的测试，也是下一步需要解决的问题。

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（责任编辑：邓光辉）

A Method to Achieve Multilevel Inverter

Huang Linsen，Long Yonghong，Zhou Yaxing，Yang Liang
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Traditional multilevel inverter circuit structure and control principle are complex and high cost to realize, and it is not suitable for small power inverter applications. A multilevel inverter is designed for small and medium-sized power applications. The voltage waveform for multi-level inverter requirement is obtained through the combination of converter technology and the reasonable control of PWM. The principle and design method of multilevel inverter are introduced, the circuit structure of the system is presented, and the scheme is simulated by Multisim11.0. The simulation results show that by means of controlling the given voltage to realize multilevel inverter, the output voltage waveform can better follow the given and the control method is simple.

converter technology；multilevel inverter；Multisim 11.0

TM464

A

1673-9833(2014)04-0035-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.009

2014-04-05

黄林森（1990-），男，福建省龙岩人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为电力电子系统与装置，E-mail：631206215@qq.com